JP4334717B2 - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点火プラグに点火用高電圧を印加して、点火プラグを火花放電させる内燃機関用点火装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において、混合気の正常な燃焼を得るために必要な火花エネルギの大きさは、内燃機関の運転状態によって異なることが知られている。ここで、火花エネルギは、火花放電で流れる放電電流（二次電流）の大きさおよび火花放電の継続時間にて表すことができる。
【０００３】
例えば、アイドリング運転等の低回転低負荷時では、燃焼室への混合気の充填量は少なく、混合気の乱流（スワール流やタンブル流）の流速も遅いため、混合気の燃焼は非常に緩慢に進む。従って、低回転低負荷時に安定した燃焼を得るためには、火花エネルギを大きくして、火炎核の成長を助け、混合気の燃焼を助ける必要がある。一方、高回転高負荷時では、燃焼室への混合気の充填量は多く、かつ混合気密度が高いことから、燃焼は早く進むため、比較的小さい火花エネルギで充分である。
【０００４】
このため、従来の内燃機関用点火装置では、火花エネルギが不足することのないよう、内燃機関の様々な運転状態の中で必要とされる最大の火花放電継続時間を設定して、最大の火花エネルギを供給できるようにしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の内燃機関点火装置では、必要最大の火花エネルギより少ない火花エネルギで運転可能な状態では、火花エネルギの供給が過剰になる。このことは、混合気への着火性に良好な影響をもたらすことがなく、点火プラグの電極消耗を早めてしまう。
【０００６】
また別の問題として、内燃機関では高回転高負荷となる運転条件下ほど、混合気の乱流の流速が強く（速く）なるがゆえ、火花エネルギが低下する火花放電の後半時に、火花が流速下流に流されてやがて火花放電が吹き消え、再度発生するといった繰り返し現象（所謂、多重放電）を引き起こすことがある。ここで、この多重放電について、図５を用いて詳細に説明する。図５（ａ）には、絶縁体１３ｃの軸孔（図示しない）に挿設されると共に、その絶縁体１３ｃの前端面から突出してなる中心電極１３ａと、その中心電極１３ａと対向するように備えられた接地電極１３ｂとによりなる点火プラグ１３が示され、この中心電極１３ａと接地電極１３ｂとの間に形成されるプラグギャップＧにおいて火花放電が発生する。
【０００７】
ところで、通常、点火プラグにおける火花放電の発生直後にあっては、１００［Ａ］程度の非常に大きな二次電流（所謂、容量成分）が電極間に極短時間流れる。そして、その容量成分の後であって、火花放電期間中の前半時には、４０〜１００［ｍＡ］程度の二次電流（所謂、誘導成分）が流れる。この誘導成分は火花放電の経過と共に徐々に低下していき、点火コイルの二次巻線に残留する電磁エネルギが火花放電を継続できない程度に低下した時に、火花放電が自然に終了して０［Ａ］となる。
【０００８】
従って、火花放電の発生直後から火花放電の前半時にかけては、点火プラグの電極間に流れる二次電流が比較的大きい（火花エネルギが大きい）が、火花放電の後半時には、二次電流が徐々に小さくなってくるのである。そのために、混合気の乱流の流速が強いと、火花放電の後半時には、図５（ａ）に模式的に示すように火花放電が流され、火花放電が途切れてしまうのである。そして、この火花放電が途切れた時点において、点火コイルの二次巻線に残留する電磁エネルギによりプラグギャップＧの二次電圧が再度上昇し、当該二次電圧が放電電圧に達すると火花放電が再度発生するのである。尚、図５（ｂ）に多重放電時の点火プラグの電極間における二次電流の波形を示しており、縦軸を二次電流値、横軸を時間として波形を表している。この図５（ｂ）によれば、二次電流の乱れが火花放電の後半時にみられ、多重放電が発生していることがわかる。
【０００９】
このような現象下にあっては、火花放電が流速に下流に集中し、容量放電の繰り返し（多重放電）で電極温度が急激に上昇することとなり、電極材料の溶融やスパッタリングが促進され、特に流速下流側の電極ばかりが消耗する所謂偏消耗が発生し、点火プラグの寿命を無駄に縮めてしまうことにつながってしまう。
【００１０】
一方、近年、内燃機関用点火装置では、点火プラグに点火用高電圧を印加するために点火コイルの一次巻線への通電・非通電（遮断）を切り換える手段として、パワートランジスタ等の半導体素子からなるスイッチング素子を使用する、所謂フルトランジスタ型の点火装置が一般的になっている。そして、こうしたフルトランジスタ型の点火装置によれば、点火コイルにエネルギを蓄積するための火花放電前における点火コイルの一次巻線への通電時間を、スイッチング素子の駆動時間（オン時間）を調整することにより、容易に制御できる。このため、この種の内燃機関用点火装置では、内燃機関の運転状態に応じて、点火コイルの一次巻線への通電時間を制御することにより、火花エネルギを混合気の燃焼に必要な量に制御できることになる。
【００１１】
しかし、火花放電前の点火コイルの一次巻線への通電時間を制御するようにした場合、通電時間を短くすると、通電により点火コイルに蓄積されるエネルギが小さくなるので、通電遮断によって二次巻線に発生する点火用高電圧も低くなってしまう。この結果、例えば、内燃機関の高回転高負荷時に火花エネルギを小さくすべく、一次巻線への通電時間を短く制御すると、点火コイルの一次巻線への通電・遮断により二次巻線に発生する点火用高電圧が低くなってしまい、点火プラグへの点火に必要な要求電圧が高くなる高回転高負荷時といった運転条件下に見合った点火用高電圧が得られずに、失火を招く虞がある。
【００１２】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、内燃機関用点火装置において、火花放電前の点火コイルの一次巻線への通電時間を制御することなく、火花エネルギを必要最小限に抑え、さらに多重放電の発生を抑えることにより、点火プラグの寿命を長くすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、二次巻線が内燃機関に装着された点火プラグと共に閉ループを形成する点火コイルと、点火コイルの一次巻線に流れる一次電流を通電・遮断することにより、二次巻線に点火用高電圧を発生させ前記点火プラグの電極間に火花放電を発生させる火花放電発生手段と、内燃機関の運転状態に基づき、点火プラグの火花放電によって混合気を燃焼させるのに要する火花放電継続時間を算出する火花放電継続時間算出手段と、その火花放電継続時間算出手段にて算出された火花放電継続時間に応じて、点火プラグの火花放電を強制的に遮断する火花放電遮断手段と、火花放電発生手段による火花放電の発生から火花放電継続時間が経過した時期に、上記火花放電遮断手段を動作させる火花放電遮断時期制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
このように構成された本発明の内燃機関用点火装置においては、火花放電発生手段が点火プラグの電極間に火花放電を発生させてから、火花放電継続時間算出手段により算出された火花放電継続時間が経過した時期に、火花放電遮断時期制御手段が火花放電遮断手段を動作させることにより、火花放電を強制的に遮断することが注目すべき点である。つまり、本発明は、一次巻線への通電時間を内燃機関の運転状態に基づいて制御するのではなく、火花放電を強制的に遮断することで火花放電継続時間を制御するものであって、一次巻線への通電時間を充分長くすることができると共に、点火プラグに不必要に火花エネルギが供給されるのを防止することができる。
【００１５】
そして、火花放電継続時間算出手段が、内燃機関の運転状態に応じて火花放電継続時間を算出することから、点火プラグに供給される火花エネルギを運転状態に適した大きさに制御することができる。このため、過剰な火花エネルギが供給されるのを抑えることができると共に、多重放電の発生を抑え、点火プラグの電極が無駄に消耗されてしまうのを防ぐことができる。
【００１６】
即ち、本発明（請求項１）によれば、あらゆる内燃機関の運転状態においても、高い点火用高電圧を確保した状態で混合気への着火を行うことで内燃機関を安定して運転することができるとともに、火花エネルギが過剰とならないよう内燃機関の運転状態に基づいて火花放電継続時間を最適に制御することで、点火プラグの無駄な電極消耗を抑えることができる。
【００１７】
尚、一般的なフルトランジスタ型の点火装置において、点火プラグにおける火花放電を強制的に遮断するには、例えば、火花放電遮断手段を火花放電継続時間が経過したタイミングで点火コイルの一次巻線への通電を再開できるように構成し、その火花放電遮断手段を火花放電遮断時期制御手段により動作させることで、点火プラグの火花放電を強制的に遮断するように構成するとよい。
【００１８】
つまり、火花放電を発生するための点火用高電圧は、点火コイルの一次巻線への通電電流を遮断して急激に磁束の変化を起こすことで二次巻線に誘導されているが、火花放電中に再度一次巻線に電流を流すと磁束の変化方向が反対になり、火花放電時とは逆極性の電圧が二次巻線に発生することになる。そして、点火コイルは、火花放電前における一次巻線への通電開始時に火花放電が発生しないように、二次巻線に火花放電時とは逆極性の電圧が発生しても、二次巻線に電流が流れないように構成されている。このため、火花放電中に一次巻線に電流を流すと、火花放電時とは逆極性の電圧が二次巻線に発生して、二次巻線に電流を流すことができなくなり、火花放電を強制的に遮断することができる。
【００１９】
そして、一次電流を再通電するには、例えば、一般的なフルトランジスタ型の点火装置において点火コイルの一次巻線への通電・非通電（遮断）を切り換えるために設けられているパワートランジスタ等の半導体素子からなるスイッチング素子を駆動（オン）することで実現できる。また、フルトランジスタ型の点火装置に限らず、点火装置には、点火コイルの一次巻線への通電・非通電を切り換えるために電気式或いは機械式等のスイッチング手段が設けられることから、こうしたスイッチング手段を導通させるようにすればよい。あるいは、当該スイッチング手段に並列にスイッチング手段を設け、これを導通させるようにしても良い。さらに、一次巻線の両端をスイッチング素子などで短絡することにより、点火コイルに残されている磁束によって、一次巻線とその一次巻線の両端に接続されたスイッチング素子とで形成される閉ループに電流を流し、火花放電時に二次巻線に発生していた点火用高電圧とは逆極性の電圧を二次巻線に誘導させて、火花放電を強制的に遮断してもよい。
【００２０】
そして、本発明（請求項１）は、例えば、リーンバーンエンジン等で行われる、空燃比２０以上の希薄空燃比で燃焼する内燃機関に適用する場合に有効となる。一般に、希薄空燃比で燃焼する内燃機関にあっては、希薄な燃料を火花放電時前までに均一に拡散させた混合気としなければ着火性が安定して得られないため、混合気の乱流の流速を強くしている。そのために、火花エネルギが低下する火花放電の後半時において、多重放電が発生し易く、点火プラグの電極消耗（偏消耗）が促進され易い。その一方で、この希薄空燃比で燃焼する内燃機関にあっても、高回転高負荷時といった運転条件下では火花エネルギは小さくても混合気への着火性は良好となる。そのことから、本発明（請求項１）の内燃機関用点火装置を上記機関に適用して、その運転状態により火花放電継続時間を短く算出し、火花放電の後半時に発生し易い多重放電の発生前に火花放電を遮断することで、良好な着火性の確保と多重放電の発生を抑制することが期待できる。
【００２１】
さらに、本発明の内燃機関用点火装置は、請求項２のように、燃料として気体燃料を用いるガスエンジンで使用することでより効果を発揮することになる。
【００２２】
気体燃料は、液体燃料であるガソリン等に比べて絶縁性が高いため、相対的に火花放電電圧が高くなる。従って、気体燃料を用いるガスエンジン向けの点火コイルとしての最大二次電圧発生能力は、ガソリンエンジン向けのそれよりも高く設定しておく必要がある（例えば、ガソリンエンジン向けの点火コイルとしての最大二次電圧が３０〔ｋＶ〕以上とすれば、ガスエンジン向けのそれは〔４０ｋＶ〕以上に設定）。そこで、点火コイルの設計としては、一次巻線と二次巻線との一次／二次の巻き数比および巻き数を増やすこと、或いは遮断するための一次電流値を上げることが必要になる。
【００２３】
しかしながら、前述のように点火コイルを設計することで、最大二次電圧発生能力は上昇するが、同時に火花エネルギも増加してしまう問題がある。このことは、火花放電継続時間と最大二次電流の相反する関係が関わっており、火花放電継続時間を短くするように設計する（点火コイルの設計としては、一次／二次の巻き数比を少なくする）と、二次電流のピーク値が大きくなってしまい、エネルギ密度が上昇することにより点火プラグの電極の消耗が促進されてしまう。また、二次電流値を少なくするように設計する（点火コイルの設計としては、一次／二次の巻き数を多くする）と、二次電流のピーク値は下がる代わりに火花放電継続時間が長くなってしまい、これまた点火プラグの電極の消耗に影響を及ぼしてしまう。即ち、ガスエンジンではガソリンエンジンに比べ、点火プラグへの不要な火花エネルギの供給量が多くなることが考えられ、点火プラグの寿命をより短くしてしまう虞がある。
【００２４】
そこで上述した気体燃料を用いるガスエンジンに対して、請求項１の内燃機関用点火装置を適用すれば、火花エネルギの過剰な供給を防ぐことができ、点火プラグの寿命を延ばすといった効果がより発揮されることになる。
【００２５】
さらに、本発明の内燃機関用点火装置は、ガスエンジンの中でも定置型ガスエンジンに適用する場合に有効となる。定置型ガスエンジンでは、燃費が性能上重要なファクターであることから、低燃費化のためリーン化が促進されている。このため、定置型ガスエンジンでは、希薄空燃比での燃焼を効率良く行うべく、混合気の乱流の流速を強くしなければならず、点火プラグの電極間にて上述した多重放電が発生し易い。そこで、本発明の内燃機関用点火装置を定置型ガスエンジンに適用することで、多重放電の発生を抑制して点火プラグの電極消耗を抑えることができる。
【００２６】
ところで、火花放電継続時間を算出する火花放電継続時間算出手段としては、請求項３に記載のように、内燃機関にて混合気への着火性が良好となる運転状態ほど、火花放電継続時間が短くなるよう算出するとよい。
【００２７】
つまり、混合気への着火性が良好な運転条件下では、混合気の燃焼に必要となる火花エネルギが少なくても十分に混合気を燃焼させることができるため、内燃機関の運転状態に基づいて火花放電継続時間を火花放電継続時間算出手段にて短く算出し、点火プラグに供給される火花エネルギの過剰な供給を抑制するのである。これにより、混合気への着火性が良好な運転状態となるほど、点火プラグに供給される火花エネルギが抑制されるため、点火プラグへの過剰な火花エネルギの供給を抑えることができると共に、多重放電の発生を抑えることができ、点火プラグの電極が無駄に消耗されてしまうのを防ぐことができる。
【００２８】
但し、算出される火花放電継続時間が短くなりすぎると、十分に混合気を燃焼させることが出来なくなる虞があるため、運転状態に応じて、少なくとも混合気を燃焼させるのに必要な火花エネルギを点火プラグに供給するように、火花放電継続時間を設定する必要がある。
【００２９】
また、請求項３に記載の火花放電継続時間算出手段は、混合気への着火性が良好な運転状態となるほど短い火花放電継続時間を算出することから、反対に、混合気の着火性が劣る運転状態となるほど、火花放電継続時間が長くなるよう火花放電継続時間を算出することになる。このため、混合気の着火性の劣る運転状態になるほど火花エネルギが増大するため、十分な火花エネルギによる火花放電を発生でき、混合気を確実に燃焼させることが可能になる。
【００３０】
また、例えば、内燃機関が高回転で運転されているときには、混合気の乱流の流速が速くなり混合気がより均質に撹拌されるため、着火性が良好となる。そこで、火花放電継続時間算出手段としては、請求項４に記載のように、内燃機関にてエンジン回転数が上昇するほど、火花放電継続時間が短くなるよう算出するとよい。
【００３１】
つまり、混合気の着火性が良好となる高回転運転時になるに従い、火花放電継続時間を火花放電継続時間算出手段にて短く算出することで、点火プラグに供給される火花エネルギの過剰な供給を抑制するのである。そして、混合気を燃焼するのに必要十分な火花エネルギを点火プラグに供給するように、火花放電継続時間を設定するのである。
【００３２】
これにより、高回転運転時であるために混合気への着火性が良好であるにも拘らず、火花放電継続時間が必要以上に長いために点火プラグへ過剰な火花エネルギが供給されてしまうのを防ぐことができる。
【００３３】
さらに、高負荷運転時も混合気への着火性が良好な運転条件であるため、請求項５に記載のように、火花放電継続時間算出手段は、内燃機関にてエンジン負荷が上昇するほど、火花放電継続時間が短くなるよう算出するとよい。すなわち、エンジン負荷が上昇するほど火花放電継続時間を短く算出するとよい。
【００３４】
つまり、内燃機関が高負荷運転されていると、スロットル開度が大きくなり混合気の充填量が増加するため、混合気の着火性は良好な状態となる。そこで、混合気の着火性が良好となる高負荷運転時となるに従い、火花放電継続時間を火花放電継続時間算出手段にて短く算出することで、点火プラグに供給される火花エネルギの過剰な供給を抑制するのである。そして、混合気を燃焼するのに必要十分な火花エネルギを点火プラグに供給するように、火花放電継続時間を設定するのである。
【００３５】
これにより、高負荷運転時であるために混合気への着火性が良好であるにも拘らず、火花放電継続時間が必要以上に長いために点火プラグへ過剰な火花エネルギが供給されてしまうことを防ぐことができる。
【００３６】
ところで、点火プラグの電極の消耗に関しては、前述したように火花放電が繰り返し発生する多重放電が大きく影響している。ここで、図６（ａ）に、プラグギャップ（電極隙間）間の混合気の乱流の流速と、多重放電が発生し始める二次電流（放電電流）値との関係を示す。図６（ａ）から、混合気の乱流の流速が速くなるほど多重放電が発生し始める二次電流値が大きくなり、反対に混合気の乱流の流速が遅くなるほど多重放電が発生し始める二次電流値が小さくなる傾向があることが判る。
【００３７】
また、火花放電は、点火コイルに蓄積された磁束をエネルギ源として発生しており、火花放電発生から時間が経過するにともない、点火コイルに蓄積された磁束（電磁エネルギ）が消費されて放電電流（二次電流）が減少していく。よって、図６（ａ）に示す関係と、火花放電時の二次電流の変化傾向とを考慮すると、火花放電は、火花放電の発生直後から継続時間が経過するほど二次電流が小さくなり、多重放電が発生し易くなることが判る。
【００３８】
そこで、請求項６に記載の発明のように、火花放電継続時間算出手段は、点火コイルに蓄積されたエネルギの減少に伴い発生する多重放電の発生時期よりも火花放電遮断時期が早くなるよう火花放電継続時間を算出するとよい。つまり、火花放電の発生直後から継続時間が経過し、多重放電が発生する程度にまで火花放電の放電電流（二次電流）が小さくなる前に、強制的に火花放電を遮断することで多重放電の発生を防ぐのである。
【００３９】
他方、多重放電が発生し始める二次電流値は、点火プラグの電極間距離（プラグギャップ長）によっても変化しており、図６（ｂ）に、その関係を示す。図６（ｂ）から、プラグギャップ長が大きくなるほど多重放電が発生し始める二次電流値が大きくなり、反対にプラグギャップ長が小さくなるほど多重放電が発生し始める二次電流値が小さくなる傾向があることが判る。そして、点火プラグの電極は、使用経過に伴って消耗するため、プラグギャップ長は、使用経過に伴って大きくなる。
【００４０】
よって、図６（ｂ）に示す関係と、使用経過に伴う電極消耗とを考慮すると、点火プラグの使用経過に伴い、多重放電が発生し易くなることが判る。
これらのことから、多重放電の発生時期は、混合気の乱流の流速および点火プラグの電極の消耗度合い（プラグギャップ長の拡がり）によって変化することになる。そこで、混合気の乱流の流速あるいは点火プラグのプラグギャップ長に基づいて、多重放電の発生時期を算出することで、運転状態に応じた多重放電の発生時期を算出することができる。
【００４１】
具体的な多重放電の発生時期としては、実際の内燃機関において摩耗限界に達した点火プラグにおける多重放電発生時期（多重放電に達する二次電流値）を運転条件別に予め調査しておき、その調査結果に基づいて、運転条件を表す数値をパラメータとするマップを用意して算出することができる。
【００４２】
ここで、このときの運転条件を表す数値パラメータの基になる、混合気の乱流の流速はエンジン回転数またはエンジン負荷に比例し、あるいは点火プラグのプラグギャップ長は内燃機関の運転時間積算値に比例することから、エンジン回転数，エンジン負荷あるいは内燃機関の運転時間積算値などの運転状態に基づいて上記マップを作成することで、多重放電の発生時期を算出することができる。
【００４３】
そして、運転状態に応じて算出した多重放電発生時期よりも火花放電遮断時期が早くなるように、火花放電継続時間算出手段により火花放電継続時間を算出することで、多重放電の発生を防ぐことができるようになる。よって、本発明（請求項５）によれば、多重放電の発生を有効に防ぐことができるため、点火プラグの電極が無駄に消耗されることがなくなり、点火プラグの寿命を延ばすことができる。
【００４４】
尚、多重放電の抑制を目的として火花放電継続時間算出手段により火花放電継続時間を算出するに当たっては、混合気への着火性を考慮し、着火性が低下しないように火花放電継続時間を算出することが必要である。つまり、多重放電の抑制を目的として算出された火花放電継続時間が、混合気への着火が可能な最短の火花放電継続時間よりも短くなると、混合気への着火を正常に行うことが出来ず、内燃機関の運転を正常に維持することが出来なくなってしまう。そのため、多重放電の抑制を目的として算出された火花放電継続時間が、着火性を確保できる最短の火花放電継続時間よりも短いときには、着火性を優先して火花放電継続時間を算出することが望ましい。
【００４５】
ところで、内燃機関の始動（特に寒冷地での冷間始動）直後のアイドリング運転（暖機運転）時においては、混合気が不均質な状態であるとともに温度が低く、最も着火性が劣る運転条件であるため、混合気への着火を確実に行うには、火花エネルギを十分に点火プラグに供給して火花放電を発生させる必要がある。
【００４６】
そこで、請求項７に記載のように、内燃機関始動直後であって内燃機関が十分に暖機されるまでの運転状態の間は、火花放電継続時間算出手段は火花放電継続時間が最も長くなるよう火花放電継続時間を算出する、あるいは、火花放電遮断時期制御手段は火花放電遮断手段を動作させないようにして点火プラグの火花放電を強制遮断しないようにするとよい。
【００４７】
つまり、内燃機関始動直後であって内燃機関が十分に暖気されるまでの運転状態の間は火花放電継続時間を最も長く設定した上で火花放電遮断を行う、あるいは火花放電遮断を行わないことにより、火花エネルギを十分に確保し、混合気を確実に燃焼させることで失火の発生を最小限に抑えるのである。なお、内燃機関が十分に暖気された運転状態にあるか否かの判断は、冷却水温度が規定値を超えたか否か、または／及び潤滑油温度が規定値を超えたか否か等を判断することににより行うことができる。具体的な一手法としては、冷却水温度が５０℃以上になったか否かを判断することが挙げられる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を図面と共に説明する。
まず、図１は、実施例の内燃機関用点火装置の構成を表す電気回路図である。尚、本実施例では、１気筒分のみを記して説明を行うが、本発明は複数の気筒を備える内燃機関についても適用でき、各気筒毎の点火装置の基本構成は同様である。また、本実施例の内燃機関は、気体燃料を燃料として運転される定置型ガスエンジンである。
【００４９】
図１に示すように、本実施例の内燃機関用点火装置１は、放電用の電気エネルギ（例えば電圧１２Ｖ）を供給する電源装置（バッテリ）１１と、内燃機関の気筒に設けられた点火プラグ１３と、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２とからなる点火コイル１５と、一次巻線Ｌ１と直列接続されたｎｐｎ型のトランジスタ１７と、火花放電を強制的に遮断する火花放電遮断回路２１と、トランジスタ１７及び火花放電遮断回路２１に対して、第１指令信号Ｓａ及び第２指令信号Ｓｂを各々出力する電子制御装置（以下、ＥＣＵと呼ぶ）１９と、を備えている。
【００５０】
これらのうち、トランジスタ１７は、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１への通電・非通電を切り換える前述の半導体素子からなるスイッチング素子であると共に、イグナイタを構成するものであって、本実施例の内燃機関用点火装置１は、フルトランジスタ型の点火装置である。
【００５１】
ここで、一次巻線Ｌ１の一端は、電源装置１１の正極に接続され、他端はトランジスタ１７のコレクタおよび火花放電遮断回路２１に接続されている。また、二次巻線Ｌ２の一端は、電源装置１１の正極に接続されている一次巻線Ｌ１の一端に接続され、他端は点火プラグ１３の中心電極１３ａに接続されている。そして、点火プラグ１３の接地電極１３ｂは、電源装置１１の負極と同電位のグランドに接地され、トランジスタ１７のベースはＥＣＵ１９の第１指令信号Ｓａを出力する端子と接続され、トランジスタ１７のエミッタは、グランドに接地されている。
【００５２】
このため、ＥＣＵ１９から出力される第１指令信号Ｓａがローレベルである場合には、トランジスタ１７はオフ状態となり、トランジスタ１７を通じて、一次巻線Ｌ１に電流が流れることはない。また、第１指令信号Ｓａがハイレベルである場合には、トランジスタ１７はオン状態となり、電源装置１１の正極側から点火コイル１５の一次巻線Ｌ１を通って電源装置１１の負極側に至る、一次巻線Ｌ１の通電経路を形成し、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１を流す。
【００５３】
従って、第１指令信号Ｓａがハイレベルであって、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れている状態で、第１指令信号Ｓａがローレベルになると、トランジスタ１７がターンオフし、一次巻線Ｌ１への一次電流ｉ１の通電が遮断される。すると、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２に点火用高電圧が発生し、これが点火プラグ１３に印加されることで、点火プラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に火花放電が発生する。
【００５４】
尚、点火コイル１５は、一次巻線Ｌ１への通電・遮断により、点火プラグ１３の中心電極１３ａ側にグランド電位よりも低い負の点火用高電圧を発生させるように構成されており、火花放電に伴い二次巻線Ｌ２に流れる二次電流ｉ２は、点火プラグ１３の中心電極１３ａから二次巻線Ｌ２を通って、一次巻線Ｌ１側に流れる。また、二次巻線Ｌ２と一次巻線Ｌ１との接続部分には、二次巻線Ｌ２から一次巻線Ｌ１側に電流が流れるのを許容し、逆方向への電流の流れを阻止するために、ダイオード等からなる整流素子Ｄが設けられており、この整流素子Ｄの動作によって、トランジスタ１７のターンオン時（一次巻線Ｌ１への通電開始時）に二次巻線Ｌ２に電流が流れることが阻止される。
【００５５】
図２は、図１に示す回路図における、第１指令信号Ｓａ、第２指令信号Ｓｂ、点火プラグ１３の中心電極１３ａの電位Ｖｐ、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１に流れる一次電流ｉ１、の各状態を表すタイムチャートである。ここで、時刻ｔ１にて、第１指令信号Ｓａがローからハイレベルに切り換わると、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れる。その後、予め設定された通電時間が経過した時刻ｔ２にて、第１指令信号Ｓａがハイからローレベルに切り換わると、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１への一次電流ｉ１の通電が遮断され、点火プラグ１３の中心電極１３ａに負の点火用高電圧が印加される。これにより、中心電極１３ａの電位Ｖｐが急峻に低下し、点火プラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に電流が流れて火花放電が発生していることが判る。
【００５６】
次に、火花放電遮断回路２１は、エミッタが接地され、ベースがＥＣＵ１９の第２指令信号Ｓｂを出力する端子と接続されたｎｐｎ型のトランジスタ２５と、一端がトランジスタ２５のコレクタに接続され、他端が一次巻線Ｌ１に接続されたコンデンサ２７と、アノードが接地され、カソードがトランジスタ２５のコレクタに接続されたダイオード２３とから構成されている。
【００５７】
そのため、ＥＣＵ１９から出力される第２指令信号Ｓｂがローレベルである場合には、火花放電遮断回路２１内のトランジスタ２５がオフ状態となり、火花放電遮断回路２１が、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１を流すことはない。また、第２指令信号Ｓｂがハイレベルである場合、火花放電遮断回路２１内のトランジスタ２５がオン状態となり、電源装置１１の正極側から点火コイル１５の一次巻線Ｌ１および火花放電遮断回路２１を通って電源装置１１の負極側に至る、一次巻線Ｌ１の通電経路を形成し、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れる。このとき、火花放電遮断回路２１の内部では、コンデンサ２７およびトランジスタ２５によって通電経路が形成され、通電経路に存在するコンデンサ２７に電荷が蓄積されるに従い、一次電流ｉ１は点火プラグにて再火花放電が発生しないような形態で緩やかに減少することになる。そして、コンデンサ２７に、一次巻線Ｌ１のインダクタンスとコンデンサ２７の容量とで決まる一定の時定数にて所定量の電荷が蓄積されると、コンデンサ２７に電流が流れなくなるため、火花放電遮断回路２１が一次電流ｉ１の通電を停止することになる。
【００５８】
但し、第２指令信号Ｓｂがハイレベルにあっても、コンデンサ２７が一次巻線Ｌ１側に接続された電極を正極性として完全に充電されていると、一次電流ｉ１は流れないため、予めコンデンサ２７に蓄積された電荷を放電させておく必要がある。この本実施例では、次の点火用高電圧を発生させるべく再度第１指令信号Ｓａをハイレベルにする、すなわち、トランジスタ１７をオン状態とすることで、コンデンサ２７に蓄積された電荷を放電させることができる。つまり、点火用高電圧を発生させるべくトランジスタ１７をオン状態とすると、トランジスタ１７、コンデンサ２７、ダイオード２３による閉ループが形成され、コンデンサ２７に蓄積された電荷によって、この閉ループに電流が流れることにより、コンデンサ２７に蓄積された電荷は放電される。
【００５９】
従って、火花放電遮断回路２１は、コンデンサ２７が放電された状態で第２指令信号Ｓｂがローレベルからハイレベルに変化すると、トランジスタ２５がターンオンして、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１を流す。そのあと、火花放電遮断回路２１は、時間経過によってコンデンサ２７に電荷が蓄積されると共に、一次電流ｉ１を緩やかに減少させていき、最終的には一次電流ｉ１を遮断するように動作する。
【００６０】
よって、図２における時刻ｔ３にて、第１指令信号Ｓａおよび第２指令信号Ｓｂをそれぞれローからハイレベルに切り換えると、トランジスタ２５がターンオンして、電源装置１１の正極側から点火コイル１５の一次巻線Ｌ１、トランジスタ１７を通って電源装置１１の負極側に至る通電経路を形成し、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が通電される。そして、図２における時刻ｔ４にて、第１指令信号Ｓａをハイレベルからローレベルに切り換えると、トランジスタ１７がターンオフするため、一次巻線Ｌ１の通電経路は、トランジスタ１７に代わりコンデンサ２７およびトランジスタ２５によって形成され、コンデンサ２７に電荷が蓄積されるに従い、一次電流ｉ１が緩やかに減少し、コンデンサ２７に所定量の電荷が蓄積されると、一次電流ｉ１を遮断する。
【００６１】
尚、図２における時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、トランジスタ１７がオン状態となっており、コンデンサ２７に蓄積された電荷はこの間に放電されているため、時刻ｔ３でのコンデンサ２７は、火花放電を遮断するのに必要な大きさの一次電流ｉ１を流すことができる。
【００６２】
そして、火花放電中に再度一次巻線Ｌ１に電流を流した場合、火花放電時とは逆極性の電圧が二次巻線Ｌ２の両端に発生するが、整流素子Ｄによって二次巻線Ｌ２に電流が流れるのが阻止されるため、火花放電を発生させることが出来ない。よって、火花放電中に一次巻線Ｌ１を再通電することで、火花放電を強制的に遮断することができる。
【００６３】
これらのことから、図２に示すように、点火プラグ１３の中心電極１３ａの電位Ｖｐが充分低いために、電極１３ａ−１３ｂ間で火花放電が生じている場合に、ＥＣＵ１９及び火花放電遮断回路２１によって一次巻線Ｌ１への通電を行うようにすれば、点火プラグ１３の中心電極１３ａの電位Ｖｐを上昇させて、火花放電を強制的に遮断させることができる。
【００６４】
従って、本実施例では、ＥＣＵ１９が、第１指令信号Ｓａの切換タイミングを制御することにより、点火プラグ１３の火花放電タイミング（換言すれば点火時期）を制御するだけでなく、第１指令信号Ｓａおよび第２指令信号Ｓｂの切換タイミングを制御することにより、点火プラグ１３による火花放電の終了時期を制御することができる。つまり、本実施例では、火花放電の遮断時期（火花放電継続時間Ｔｔ）を制御することで、混合気を燃焼させるために点火プラグ１３に供給する火花エネルギを、混合気の燃焼に必要十分な大きさに抑えることが可能となる。
【００６５】
そして、ＥＣＵ１９では、上述のように火花放電を発生させるために第１指令信号Ｓａを制御する点火制御処理が実行され、また、火花放電を強制的に遮断するために第１指令信号Ｓａおよび第２指令信号Ｓｂを制御する火花放電遮断処理が実行されている。
【００６６】
尚、ＥＣＵ１９は、内燃機関の火花放電発生時期（点火時期）、燃料噴射量、アイドル回転数等を総合的に制御するためのものであり、点火制御処理や火花放電遮断制御処理のほか、内燃機関の吸入空気量（吸気管圧力），回転速度，スロットル開度，冷却水温，吸気温等、機関各部の運転状態を検出する運転状態検出処理を行っている。
【００６７】
まず、点火制御処理で実行される処理について簡単に説明する。尚、点火制御処理は、例えば、内燃機関の回転角度（クランク角）を検出するクランク角センサからの信号に基づき、内燃機関が、吸気，圧縮，燃焼，排気を行う１燃焼サイクルに１回の割合で実行される。
【００６８】
そして、内燃機関が始動されて処理が開始されると、点火制御処理は、別途実行される運転状態検出処理にて検出された機関の運転状態を読込み、読み込んだ運転状態に基づき、火花放電発生時期（いわゆる点火時間）を算出する。そして、内燃機関の運転状態に基づいて算出した点火時期（図２における時刻ｔ２）を基準として、この点火時期よりも所定時間だけ早い時刻（図２における時刻ｔ１）で第１指令信号Ｓａをハイレベルに変化させて、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１を流す。ここで、所定時間は、火花放電前の一次電流通電時間のことであり、着火性の劣る運転条件においても確実に混合気へ着火できる高い点火用高電圧による火花放電を発生させるために、一次電流通電時間には、点火コイルに十分な磁束を蓄積できる時間が設定されている。これにより、火花放電が発生してから自然に遮断されるまでの火花放電継続時間Ｔｔも十分長くなり、火炎核の成長を助けて混合気を確実に燃焼させることができるようになる。
【００６９】
そのあと、点火制御処理は、時刻ｔ１から所定時間が経過した点火時期（図２における時刻ｔ２）にて、第１指令信号Ｓａをローレベルに変化させて、一次電流ｉ１を急激に遮断し、点火用高電圧を二次巻線Ｌ２に発生させて火花放電を発生させる。よって、点火制御処理は、このようにして第１指令信号Ｓａを制御し、点火プラグ１３の電極間に火花放電を発生させて混合気を燃焼させることで、内燃機関を運転している。
【００７０】
次に、火花放電を強制的に遮断するための火花放電遮断処理を、図３に示すフローチャートに沿って説明する。尚、火花放電遮断処理は、内燃機関が始動されると同時に起動されて、その処理を開始する。
【００７１】
そして、この火花放電遮断処理が開始されると、まず、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す）では、内燃機関が十分に暖機された運転状態にあるか否かを判断しており、肯定判定される場合にはＳ１３０に移行し、否定判定される場合にはＳ１２０に移行する。尚、内燃機関が十分に暖機された運転状態にあるか否かの判断は、冷却水温度が規定値を越えたか否か、または／及び潤滑油温度が規定値を越えたか否か等により判断することができる。本実施例では具体的に、内燃機関の冷却水温度が５０℃を超えたか否かを判断している。
【００７２】
そして冷却水温度が５０℃以下である場合、つまりＳ１２０に移行した場合には、後述する火花放電の強制遮断は行わず、火花放電を点火コイルに蓄積された電磁エネルギの減少に伴い自然に終了させるようにする。尚、本実施例の内燃機関用点火装置１は、前述の点火制御処理にて、着火性の劣る運転条件においても確実に混合気へ着火できるように、火花放電前の一次電流通電時間が設定されている。このため、火花放電遮断を行わない時にも、火花放電継続時間を十分に長くすることができ、内燃機関の始動直後のアイドリング運転（暖機運転）時といった着火性の劣る運転状態であっても、確実に混合気を燃焼させることができる。そして、Ｓ１２０の処理が実行されると、再びＳ１１０に移行する。
【００７３】
よって、内燃機関が十分に暖機された運転状態となるまでの間は、Ｓ１１０，Ｓ１２０の処理を繰り返し実行することで、火花放電を混合気を確実に燃焼できる状態で内燃機関の運転を継続し、火花放電の強制遮断を行わない。そして、Ｓ１１０で肯定判定されて、Ｓ１３０に移行すると、Ｓ１３０ではＩＧ信号（第１指令信号Ｓａ）が立ち上がり方向（ローレベルからハイレベル）に変化したか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ１４０に移行し、否定判定されると同ステップを繰り返し実行する。つまり、Ｓ１３０では、前述の点火制御処理による一次巻線Ｌ１への通電が開始されたか否かをＩＧ信号の変化に基づいて判断することにより、一次電流ｉ１の通電開始時期を検出している。
【００７４】
そして、次の燃焼サイクルにおいて、点火制御処理が第１指令信号Ｓａをローレベルからハイレベルに変化させると、Ｓ１３０にて肯定判定されて、Ｓ１４０に移行する。Ｓ１４０では、この時の現在時刻Ｔを時刻変数Ｔ０に代入し、通電開始時期を記憶する。
【００７５】
続くＳ１５０では、Ｓ１３０と同様に、ＩＧ信号（第１指令信号Ｓａ）が立ち上がり方向（ローレベルからハイレベル）に変化したか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ１６０に移行し、否定判定されると同ステップを繰り返し実行する。つまり、Ｓ１５０では、Ｓ１３０で一次電流ｉ１の通電時期が検出された後、次の燃焼サイクルにおける通電時期を検出している。
【００７６】
そして、点火制御処理が第１指令信号Ｓａをローレベルからハイレベルに変化させると、Ｓ１５０にて肯定判定されて、Ｓ１６０に移行する。Ｓ１６０では、この時の現在時刻Ｔを時刻変数Ｔ１に代入し、点火時期を記憶する。
【００７７】
続くＳ１７０では、Ｓ１４０で記憶された時刻変数Ｔ０とＳ１６０で記憶された時刻変数Ｔ１に基づいて、内燃機関のエンジン回転数を算出する。ここで、時刻変数Ｔ０と時刻変数Ｔ１の時間差（Ｔ１−Ｔ０）は、１燃焼サイクルの周期に等しいため、時間差（Ｔ１−Ｔ０）の逆数を算出することによって、内燃機関のエンジン回転数を算出することができる。
【００７８】
続くＳ１８０では、時刻変数Ｔ１の値を時刻変数Ｔ０に代入し、次回のエンジン回転数の算出に備える。次のＳ１９０では、内燃機関のエンジン負荷を検出する。ここで、エンジン負荷は、例えばスロットルバルブの開度の大きさや吸気管負圧に比例することから、スロットル開度センサの出力信号あるいは吸気管圧力センサの出力信号に基づいて、エンジン負荷を検出することができる。
【００７９】
続くＳ２００では、Ｓ１７０で算出したエンジン回転数と、Ｓ１９０で検出したエンジン負荷に基づいて、火花放電継続時間Ｔｔを設定する。尚、本実施例では、エンジン回転数およびエンジン負荷をパラメータとする第１マップを用いて、火花放電継続時間Ｔｔを算出している。
【００８０】
ここで、火花放電継続時間Ｔｔの算出に用いる上記第１マップの一例を、図４に示す。図４に示すように、エンジン回転数が上昇するほど火花放電継続時間Ｔｔが短くなるように、また、エンジン負荷が上昇するほど火花放電継続時間Ｔｔが短くなるように第１マップが設定されていることが判る。つまり、内燃機関における運転条件が、混合気への着火性が良好な運転条件になるほど、火花放電継続時間Ｔｔが短くなるように第１マップが設定されている。
【００８１】
尚、エンジン負荷が低負荷で、かつ、エンジン回転数が低回転である時には、火花放電継続時間Ｔｔは図４に示すように火花放電継続時間として最も長い時間（例えば、火花放電が自然に終了する時間）が設定される。このように、最も長い火花放電継続時間が設定されると、火花放電が自然に終了した後に、火花放電遮断回路２１による一次電流の通電が行われるため、実質的に火花放電の強制遮断は行われないことになる。
【００８２】
更にＳ２００では、火花放電が発生してから火花放電継続時間Ｔｔが経過した火花放電遮断時期が、火花放電の多重放電発生時期よりも遅くなる場合には、火花放電遮断時期が多重放電発生時期よりも早くなるように、火花放電継続時間Ｔｔを補正する。つまり、火花放電が発生してから多重放電が発生するまでの正常放電が行われる時間（正常放電時間）よりも、第１マップから算出した火花放電継続時間Ｔｔが長い場合には、火花放電継続時間Ｔｔに正常放電時間以下の短い時間を設定するのである。
【００８３】
尚、正常放電時間は運転条件によって変化することから、例えば、実際の内燃機関において摩耗限界に達した点火プラグにおける多重放電発生時期（多重放電が発生する二次電流値）を運転条件別に予め調査しておき、その調査結果に基づいて、運転条件を表す数値をパラメータとして正常放電時間を算出するマップを用意し、このマップから正常放電時間を算出する。このとき運転条件を表す数値パラメータとしては、例えば、混合気の乱流の流速に比例するエンジン回転数又はエンジン負荷、あるいは点火プラグのプラグギャップ長に比例する内燃機関の運転時間積算値を用いるとよい。そして、本実施例では、上記予め用意された調査結果に基づいて第２マップを設定し、この第２マップに基づき算出された正常放電時間を用いて、多重放電が発生しないように火花放電継続時間Ｔｔを補正する。
【００８４】
但し、多重放電が発生しないように設定した火花放電継続時間Ｔｔが、混合気の着火に必要となる最短の火花放電継続時間よりも短くなる場合には、多重放電の抑制よりも着火性を優先して、混合気の着火に必要となる最短の火花放電継続時間を火花放電継続時間Ｔｔに設定する。
【００８５】
よって、Ｓ２００では、第１マップを用いて算出された火花放電継続時間Ｔｔが、第２マップを用いて算出された正常放電時間よりも長い場合には、火花放電継続時間Ｔｔに正常放電時間以下の短い時間を設定し、この火花放電継続時間Ｔｔを以下の処理で使用する。尚、火花放電継続時間Ｔｔが正常放電時間以下である場合には、第１マップを用いて算出された火花放電継続時間Ｔｔをそのまま以下の処理で使用する。
【００８６】
続くＳ２１０では、ＩＧ信号（第１指令信号Ｓａ）が立ち下がり方向（ハイレベルからローレベル）に変化したか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ２２０に移行し、否定判定されると同ステップを繰り返し実行する。つまり、Ｓ２１０では、前述の点火制御処理による火花放電の発生時期（点火時期）を、ＩＧ信号（第１指令信号Ｓａ）に基づいて検出している。
【００８７】
そして、点火制御処理が第１指令信号Ｓａをハイレベルからローレベルに変化させると、Ｓ２１０にて肯定判定されて、Ｓ２２０に移行する。Ｓ２２０では、この時の現在時刻Ｔを時刻変数Ｔ２に代入し、点火時期を記憶する。続くＳ２３０では、現在時刻Ｔから時刻変数Ｔ２を差し引いた値が、Ｓ２００で設定した火花放電継続時間Ｔｔに等しいか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ２４０に移行し、否定判定されると同ステップを繰り返し実行する。つまり、Ｓ２３０では、点火時期から火花放電継続時間Ｔｔが経過した時期（火花放電の遮断時期）に達したか否かを判断している。
【００８８】
そして、火花放電の遮断時期に達すると、Ｓ２３０にて肯定判定されて、Ｓ２４０に移行する。Ｓ２４０では、第１指令信号Ｓａおよび第２指令信号Ｓｂをそれぞれローレベルからハイレベルに変化させ、一次電流ｉ１を再通電して火花放電を強制的に遮断する。また、Ｓ２４０では、第１指令信号Ｓａのハイレベル継続時間が予め設定されており、第１指令信号Ｓａをローレベルからハイレベルに変化させてから、このハイレベル継続時間が経過すると、第１指令信号Ｓａをハイレベルからローレベルに変化させる。さらに、Ｓ２４０では、一次電流ｉ１が減少して一次巻線Ｌ１に電流が流れなくなる長さの火花放電遮断完了時間が予め設定されており、第２指令信号Ｓｂをローレベルからハイレベルに変化させてから、この火花放電遮断完了時間が経過すると、第２指令信号Ｓｂをハイレベルからローレベルに変化させる。
【００８９】
Ｓ２４０での処理が実行されると、再びＳ１５０に移行し、Ｓ１５０では次の火花放電のための一次電流通電時期を検出する。そして、火花放電遮断処理は、内燃機関が停止されるまで、Ｓ１５０からＳ２４０までの処理を繰り返し実行することで、火花放電の強制遮断を行う。そして、Ｓ２４０まで処理が行われた後に実行されるＳ１７０では、前回の燃焼サイクルにおけるＳ１８０の処理にて記憶された時刻変数Ｔ０と、今回の燃焼サイクルにおけるＳ１６０の処理にて記憶された時刻変数Ｔ１とに基づいて、エンジン回転数を算出する。
【００９０】
尚、本実施例では、ＥＣＵ１９で実行される点火制御処理およびイグナイタを構成するトランジスタ１７が、特許請求の範囲に記載の火花放電発生手段に相当し、火花放電遮断回路２１が火花放電遮断手段に相当し、火花放電継続時間Ｔｔを設定すべくＥＣＵ１９で実行されるＳ２００の処理が火花放電継続時間算出手段に相当し、火花放電継続時間Ｔｔが経過した時期（火花放電の遮断時期）に達したか否かを判断し、肯定判定されたときに火花放電を強制的に遮断するＳ２３０，Ｓ２４０の処理が火花放電遮断時期制御手段に相当する。
【００９１】
以上説明したように、本実施例の内燃機関用点火装置１においては、イグナイタを構成するトランジスタ１７をオン・オフさせることにより、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２に発生した点火用高電圧を点火プラグ１３に印加して、点火プラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に火花放電を発生させている。その後、内燃機関の運転状態に基づき求めた火花放電継続時間Ｔｔが経過した時点で、火花放電遮断回路２１によって点火コイル１５の一次巻線Ｌ１に再度一次電流ｉ１を流すことにより、火花放電を強制的に遮断するよう構成されている。
【００９２】
そして、本実施例では、高い点火用高電圧による火花放電を発生するため、確実に混合気への着火を行うことができるとともに、火花エネルギが過剰とならないように、かつ、多重放電が発生しないように火花放電継続時間Ｔｔが算出されるため、点火プラグの電極の消耗を抑えて点火プラグの寿命を延ばすことができる。
【００９３】
また、火花放電遮断処理での火花放電継続時間の算出においては、多重放電が発生しないように火花放電継続時間を算出するため、多重放電の発生を防ぐことができ、点火プラグの電極が無駄に消耗されることがなくなり、点火プラグの寿命を延ばすことができる。
【００９４】
以上、本発明の実施例の一つについて説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
そこで、第２実施例として、コンデンサ２７の放電時に流れる電流の大きさを抑制するよう構成された内燃機関用点火装置について説明する。
【００９５】
図７は、第２実施例の内燃機関用点火装置の構成を表す電気回路図である。尚、以下の説明において、第１実施例と同じ構成要素については、同一番号（符号）を付与して説明する。
図７に示すように、第２実施例の内燃機関用点火装置１は、放電用の電気エネルギ（例えば電圧１２Ｖ）を供給する電源装置（バッテリ）１１と、内燃機関の気筒に設けられた点火プラグ１３と、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２とからなる点火コイル１５と、一次巻線Ｌ１と直列接続されたｎｐｎ型のトランジスタ１７と、火花放電を強制的に遮断する火花放電遮断回路２１と、トランジスタ１７及び火花放電遮断回路２１に対して、第１指令信号Ｓａ及び第２指令信号Ｓｂを各々出力する電子制御装置（以下、ＥＣＵと呼ぶ）１９と、を備えている。
【００９６】
ここで、第２実施例の内燃機関用点火装置１は、火花放電遮断回路２１以外の構成要素が第１実施例と同様であることから、同様の構成要素についての説明は省略し、第１実施例と異なる構成要素である火花放電遮断回路２１について説明する。
【００９７】
図７に示すように、第２実施例の火花放電遮断回路２１は、エミッタが接地され、ベースがＥＣＵ１９の第２指令信号Ｓｂを出力する端子と接続され、コレクタがコンデンサ２７の一端（電極）に接続されるとともに、ダイオード２３を介して接地されたｎｐｎ型のトランジスタ２５を備えている。そして、ダイオード２３は、アノードが接地され、カソードがトランジスタ２５のコレクタに接続されている。また、コンデンサ２７は、トランジスタ２５との接続端（電極）とは反対側の接続端（電極）が、抵抗３１を介して一次巻線Ｌ１に接続されている。さらに、ダイオード２９が抵抗３１に並列接続されており、ダイオード２９は、アノードが抵抗３１と一次巻線Ｌ１との接続端に接続され、カソードが抵抗３１とコンデンサ２７との接続端に接続されている。
【００９８】
そして、ＥＣＵ１９から出力される第２指令信号Ｓｂがローレベルである場合には、火花放電遮断回路２１内のトランジスタ２５がオフ状態となり、火花放電遮断回路２１が、電源装置１１の正極から一次巻線Ｌ１に向かう方向に一次電流ｉ１を流すことはない。
【００９９】
また、第２指令信号Ｓｂがハイレベルである場合、第１実施例と同様に、火花放電遮断回路２１内のトランジスタ２５がオン状態となり、火花放電遮断回路２１が、電源装置１１の正極側から点火コイル１５の一次巻線Ｌ１を通って電源装置１１の負極側に至る、一次巻線Ｌ１の通電経路を形成し、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１を流す。このとき、一次巻線Ｌ１からコンデンサ２７に流れ込む電流は、ダイオード２９を通じて流れる。
【０１００】
そして、通電経路に流れる電流によってコンデンサ２７に電荷が蓄積されるに従い、一次電流ｉ１は緩やかに減少し、コンデンサ２７に、一次巻線Ｌ１のインダクタンスとコンデンサ２７の容量とで決まる一定の時定数にて、所定量の電荷が蓄積されると、コンデンサ２７に電流が流れなくなり、一次電流ｉ１を遮断する。
【０１０１】
但し、コンデンサ２７が、一次巻線Ｌ１側に接続された電極を正極性として完全に充電されている場合、第２指令信号Ｓｂがハイレベルであっても、一次電流ｉ１は流れないため、予めコンデンサ２７に蓄積された電荷を放電させておく必要がある。そこで、第２実施例では、第１実施例と同様に、点火用高電圧を発生させるための第１指令信号Ｓａをハイレベルにする、すなわち、トランジスタ１７をオン状態とすることで、コンデンサ２７が充電されている場合のその電荷を放電させることができる。
【０１０２】
つまり、トランジスタ１７をオン状態とすると、トランジスタ１７、抵抗３１、コンデンサ２７、ダイオード２３による閉ループが形成され、コンデンサ２７に蓄積された電荷によって、この閉ループに電流が流れることにより、コンデンサ２７は放電される。このとき、コンデンサ２７が放電する電流は、ダイオード２９ではなく抵抗３１を通じて流れるため、通電経路の抵抗値が大きくなる。このため、通電経路に流れる電流値が小さくなり、トランジスタ１７に流れる電流量が抑制されることになる。これにより、コンデンサ２７に蓄積された電荷を放電させた時に伴うトランジスタ１７の発熱を小さく抑えることが可能となる。
【０１０３】
従って、火花放電遮断回路２１は、コンデンサ２７が放電された状態で、第２指令信号Ｓｂがローレベルからハイレベルに変化されると、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１の通電を開始し、時間経過に従い一次電流ｉ１を緩やかに減少させていき、最終的に一次電流ｉ１を遮断する。そして、次の点火用高電圧を発生させるべく再度第１指令信号Ｓａがハイレベルになることで、コンデンサ２７に蓄積された電荷が放電される。
【０１０４】
そして、第２実施例のＥＣＵ１９は、第１実施例と同様の点火制御処理を実行することで第１指令信号Ｓａを制御し、点火プラグ１３の電極間に火花放電を発生させて混合気を燃焼させることで、内燃機関を運転している。また、本第２実施例のＥＣＵ１９では、第１実施例と同様の火花放電遮断処理を実行することで火花放電継続時間を算出するとともに、第１指令信号Ｓａおよび第２指令信号Ｓｂを制御して、火花放電を強制遮断している。
【０１０５】
尚、ＥＣＵ１９は、第１実施例と同様に、内燃機関を総合的に制御するためのものであり、点火制御処理などを行うために、別途、機関各部の運転状態を検出する運転状態検出処理を行っている。よって、第２実施例の内燃機関用点火装置１は、第１実施例と同様に、ＥＣＵ１９の指令によってトランジスタ１７をオン・オフさせることにより、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２から点火プラグ１３に点火用高電圧を印加させて、点火プラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に火花放電を発生させた後、内燃機関の運転状態に基づき求めた火花放電継続時間Ｔｔが経過した時点で、火花放電遮断回路２１によって、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１に再度一次電流ｉ１を流すことにより、火花放電を強制的に遮断している。
【０１０６】
従って、第２実施例の内燃機関用点火装置によれば、火花放電継続時間を制御することが可能となり、第１実施例の内燃機関用点火装置と同様の効果を発揮することができる。また、第２実施例は、第１実施例と同様に一次巻線Ｌ１に流れる一次電流ｉ１を２つのトランジスタに分けて流す構成であるため、１つのトランジスタに流すよう構成された内燃機関用点火装置に比べ、トランジスタ１個当りの通電時間が短くなり、通電される電流量が少なくなる。これにより、トランジスタの発熱量を抑制することができ、トランジスタへの負担をさらに軽減することが可能となる。
【０１０７】
さらに、第２実施例では、コンデンサ２７に蓄積された電荷を放電する際に流れる電流の大きさを、抵抗３１によって制限しているため、トランジスタ１７に流れる電流の大きさを制限することができ、トランジスタ１７の発熱を抑えることができる。よって、トランジスタ１７への負担をさらに軽減することが可能になる。尚、抵抗３１としては、トランジスタに流れる電流の抑制、および、コンデンサ２７の放電時間を考慮すると、抵抗値が１〜１００［Ω］の抵抗を用いることが望ましい。また、火花放電の遮断時には、ダイオード２９によって一次巻線Ｌ１に流れる一次電流ｉ１を大きく確保することができ、火花放電の遮断を確実に実行することが可能になる。
【０１０８】
次に、本第２実施例の内燃機関用点火装置の効果を確認するため、実際に内燃機関を用いて、火花放電継続時間Ｔｔを変化させたときの、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２に流れる二次電流ｉ２の変化を測定した測定結果を図８に示す。尚、測定は、メタンガスを主成分とする都市ガス１３Ａを燃料とする内燃機関を使用し、回転数を２０００ｒｐｍとして運転した場合の、二次電流ｉ２の変化を、（ａ）火花放電を強制遮断しない場合、（ｂ）火花放電継続時間Ｔｔが１．０［ｍＳ］の場合，（ｃ）火花放電継続時間Ｔｔが０．５［ｍＳ］の場合，の３条件下で、測定を行った。また、本測定では、コンデンサ２７の容量は１００［μＦ］とし、抵抗３１の抵抗値は５［Ω］とした。そして、図８に、縦軸を二次電流、横軸を時間として測定結果を示す。また、内燃機関用点火装置としては、上記実施例２のものを使用した。
【０１０９】
まず、図８（ａ）は、火花放電を強制的に遮断しない場合の測定結果であり、点火時期（図における縦軸が記載されている時刻）で火花放電が発生して二次電流が流れ始めた後、緩やかに電流値が減少していき、点火時期から約０．７［ｍＳ］経過したあたりから電流値が大きく乱れて変動しており、多重放電が発生していることがわかる。その後、多重放電が継続して発生し、点火時期から約１．３［ｍＳ］経過した時点で電流値が０［ｍＡ］となり火花放電が自然に終了している。
【０１１０】
次に、図８（ｂ）は、火花放電継続時間Ｔｔが１．０［ｍＳ］の場合の測定結果であり、図８（ａ）と同様に、点火時期（図における縦軸が記載されている時刻）で火花放電が発生して二次電流が流れ始めた後、緩やかに電流値が減少していき、点火時期から約０．７［ｍＳ］経過したあたりから電流値が大きく乱れて変動しており、多重放電が発生していることがわかる。その後、多重放電が継続して発生しているものの、点火時期から１．０［ｍＳ］経過した時点で火花放電が強制的に遮断されて、電流値が０［ｍＡ］となっている。これにより、点火時期から１．０［ｍＳ］経過した後の多重放電の発生を防ぐことができ、点火プラグの電極消耗を抑えることができる。
【０１１１】
さらに、図８（ｃ）は、火花放電継続時間Ｔｔが０．５［ｍＳ］の場合の測定結果であり、図８（ａ）および（ｂ）と同様に、点火時期（図における縦軸が記載されている時刻）で火花放電が発生して二次電流が流れ始めた後、緩やかに電流値が減少していき、点火時期から約０．５［ｍＳ］経過した時点で火花放電が強制的に遮断されて、電流値が０［ｍＡ］となっている。これにより、多重放電の発生を防ぐことができ、さらに点火プラグの電極消耗を抑えることができる。
【０１１２】
従って、本発明を適用した実施例の内燃機関用点火装置によれば、設定された火花放電継続時間にて、確実に火花放電を遮断することができ、火花放電の過剰供給を抑えて点火プラグの寿命を長くすることができる。
【０１１３】
また、本発明の内燃機関用点火装置における着火性に関する信頼性を確認するため、実際に内燃機関を用いて、火花放電継続時間Ｔｔを変化させたときの失火率を測定した測定結果を図９に示す。この測定は、メタンガスを主成分とする都市ガス１３Ａを燃料とする内燃機関を使用し、エンジン負荷を２５％とした時の４段階（８００，１０００，１５００，２０００［ｒｐｍ］）のエンジン回転数それぞれにおける失火の発生割合（失火率）を、火花放電の強制遮断無しの場合、火花放電継続時間Ｔｔが１．０［ｍＳ］、０．５［ｍＳ］、０．２［ｍＳ］の場合の４条件下にてそれぞれ行った。尚、図９では、縦軸を失火率、横軸を火花放電継続時間、奥行き方向の軸をエンジン回転数として測定結果を示す。
【０１１４】
図９に示す測定結果より、エンジン回転数が高回転となるほど、火花放電継続時間Ｔｔを短く設定しても、失火が発生せずに内燃機関の運転が良好になされていることが判る。逆に、エンジン回転数が低回転になるほど火花放電を強制遮断しない、あるいは、火花放電継続時間Ｔｔを比較的長く設定することで、失火が発生することなく内燃機関の運転が良好になされていることが判る。これにより、本発明の内燃機関用点火装置においては、内燃機関にてエンジン回転数が上昇するほど、火花放電遮断時期が早くなるよう火花放電継続時間Ｔｔを算出した場合にも、着火性が悪化することなく、内燃機関の運転状態を良好に維持されることが理解できる。
【０１１５】
次に、図９では、エンジン負荷を２５％とした時の失火率の測定結果を示したが、エンジン負荷１００％とし、それ以外の条件については図９に示した測定と同様の条件下にて、火花放電継続時間Ｔｔを変化させたときの失火率の測定を行った。その測定結果を図１０に示す。尚、図１０においても、図９と同様に、縦軸を失火率、横軸を火花放電継続時間、奥行き方向の軸をエンジン回転数として測定結果を示す。
【０１１６】
図１０に示す測定結果を、図９に示す測定結果と比較すると明らかなように、本発明の内燃機関用点火装置においては、エンジン負荷が高負荷となるほど、火花放電遮断時期が早くなるよう火花放電継続時間Ｔｔを算出した場合にも、着火性が悪化することなく、内燃機関の運転状態を良好に維持されることが理解できる。つまり、内燃機関にてエンジン回転数、または／及びエンジン負荷に応じて、最適な火花放電継続時間Ｔｔを算出することによって、混合気を確実に燃焼させることができ、失火の発生を抑制することができるのである。
【０１１７】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施例では、内燃機関が十分に暖機された運転状態に無い場合には、火花放電の遮断処理を行わないように火花放電遮断処理が構成されているが、火花放電継続時間を最も長くなるように算出して火花放電の遮断処理を行うようにしてもよい。このとき、火花放電遮断処理において算出される最も長い火花放電継続時間は、着火性の劣る運転条件においても確実に混合気を燃焼できる時間となるように予め設定しておくとよい。
【０１１８】
また、上記実施例では、火花放電遮断制御処理に於けるＳ２００での火花放電継続時間Ｔｔおよび正常放電時間の算出をマップを用いて行っているが、マップに限定することはなく、例えば、エンジン回転数やエンジン負荷などをパラメータとする計算式によって算出してもよい。また、各実施例においては、二次巻線Ｌ２と一次巻線Ｌ１との接続部分に、二次巻線Ｌ２から一次巻線Ｌ１側に電流が流れるのを許容し、逆方向への電流の流れを阻止するために、ダイオード等からなる整流素子Ｄが設けられているが、この整流素子Ｄの設置位置を二次巻線Ｌ２と点火プラグ１３との接続部分にしてもよい。
【０１１９】
さらに、第１実施例および第２実施例では、ＥＣＵ１９の指令（信号）によってトランジスタ２５（第１実施例においてはトランジスタ１７含む）を通電・遮断して、火花放電遮断を行う手法であるが、ＥＣＵ１９を介さずともこの火花放電遮断を行うこともできる。具体的には、内燃機関の回転に伴うクランク角度の信号を入力可能な角度信号入力手段と、前記角度信号によりエンジン回転数を算出する手段と、当該エンジン回転数に基づいて火花放電継続時間を算出する火花放電継続時間算出手段、及び火花放電遮断時期制御手段とをトランジスタ１７を備えるイグナイタに設ける（付加する）ことにより行うことができる。これにより、ＥＣＵに負担をかけることなく、本発明の特徴である火花放電の強制的な遮断を内燃機関の運転状態に基づいて行うことができる。
【０１２０】
さらに、第１実施例および第２実施例では、火花放電の遮断の際に、第１指令信号Ｓａおよび第２指令信号Ｓｂをそれぞれハイレベルに変化させて、トランジスタ１７および火花放電遮断回路２１を用いて一次電流を再通電させているが、第２指令信号Ｓｂのみをハイレベルにして、火花放電遮断回路２１のみで一次電流を再通電させてもよい。このように、第２指令信号Ｓｂのみを制御して、第１指令信号Ｓａの制御を行わないようにすることで、上述した第１実施例および第２実施例に比べて、火花放電遮断処理にて実行する処理を少なくすることができる。このため、上述の実施例に比べて火花放電遮断処理が実行されるＥＣＵ１９における処理負荷を低減することができ、また、多数の制御処理を行うＥＣＵ１９への負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施例の内燃機関用点火装置の構成を表す電気回路図である。
【図２】 第１実施例の内燃機関用点火装置の各部の状態を表すタイムチャートである。
【図３】 実施例の電子制御装置（ＥＣＵ）が実行する火花放電遮断処理を表すフローチャートである。
【図４】 火花放電遮断処理における火花放電継続時間の算出に用いる第１マップである。
【図５】 点火プラグの電極間に発生する火花放電の状態を表す説明図と、火花放電時の二次電流の波形を示すグラフである。
【図６】 （ａ）は電極間の混合気流速と多重放電が発生し始める二次電流値との関係を示すグラフであり、（ｂ）は点火プラグの電極間距離と多重放電が発生し始める二次電流値との関係を示すグラフである。
【図７】 第２実施例の内燃機関用点火装置の構成を表す電気回路図である。
【図８】 点火コイルの二次巻線に流れる二次電流の変化を測定した測定結果を示すグラフである。
【図９】 エンジン負荷を２５％として火花放電継続時間を変化させたときの失火率を測定した測定結果を示すグラフである。
【図１０】 エンジン負荷を１００％として火花放電継続時間を変化させたときの失火率を測定した測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１…内燃機関用点火装置、１１…電源装置、１３…点火プラグ、１３ａ…中心電極、１３ｂ…接地電極、１３ｃ…絶縁体、１５…点火コイル、Ｄ…整流素子、Ｌ１…一次巻線、Ｌ２…二次巻線、１７…トランジスタ、１９…電子制御装置（ＥＣＵ）、２１…火花放電遮断回路、２３…ダイオード、２５…トランジスタ、２７…コンデンサ。

Claims (7)

1. 二次巻線が内燃機関に装着された点火プラグと共に閉ループを形成する点火コイルと、
   前記点火コイルの一次巻線に流れる一次電流を通電・遮断することにより、前記二次巻線に点火用高電圧を発生させ前記点火プラグの電極間に火花放電を発生させる火花放電発生手段と、
   内燃機関の運転状態に基づき、前記点火プラグの火花放電によって混合気を燃焼させるのに要する火花放電継続時間を算出する火花放電継続時間算出手段と、
   前記火花放電継続時間算出手段にて算出された火花放電継続時間に応じて、前記点火プラグの火花放電を強制的に遮断する火花放電遮断手段と、
   前記火花放電発生手段による火花放電の発生から前記火花放電継続時間が経過した時期に、前記火花放電遮断手段を動作させる火花放電遮断時期制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 前記内燃機関は、燃料として気体燃料を用いるガスエンジンであること、を特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
3. 前記火花放電継続時間算出手段は、前記内燃機関にて混合気への着火性が良好となる運転状態ほど、前記火花放電継続時間が短くなるよう算出すること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用点火装置。
4. 前記火花放電継続時間算出手段は、前記内燃機関にてエンジン回転数が上昇するほど、前記火花放電継続時間が短くなるよう算出すること、を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の内燃機関用点火装置。
5. 前記火花放電継続時間算出手段は、前記内燃機関にてエンジン負荷が上昇するほど、前記火花放電継続時間が短くなるよう算出すること、を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の内燃機関用点火装置。
6. 前記火花放電継続時間算出手段は、前記点火コイルに蓄積されたエネルギの減少に伴い発生する多重放電の発生時期よりも火花放電の遮断時期が早くなるよう前記火花放電継続時間を算出すること、を特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の内燃機関用点火装置。
7. 内燃機関始動直後であって内燃機関が十分に暖機されるまでの運転状態の間は、前記火花放電継続時間算出手段は前記火花放電継続時間が最も長くなるよう算出する、あるいは、前記火花放電遮断時期制御手段は前記火花放電遮断手段を動作させないようにして火花放電の強制的な遮断を行わないこと、を特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の内燃機関用点火装置。

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