JP5469229B1 - 高周波放電用点火コイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】確実な絶縁破壊と高い放電電流の火花放電を実現できる、コンパクトな高周波放電用点火コイル装置を得る。
【解決手段】磁束を発生、蓄積する１次コイル111と、1次コイルと磁気結合され、蓄積したエネルギーを解放することで所定の高電圧を発生し、外部装置101にエネルギーを供給するための高圧ターミナルに一端が接続される２次コイル112と、高圧ターミナルに接続され、高電圧の通過を防ぐコンデンサ116と、コンデンサと共に所定の周波数成分のみを通過させるためのインダクタ117を備え、１次コイル、２次コイル、コンデンサ、インダクタを同一のパッケージ内に配置した。
【選択図】図１

Description

この発明は、主に内燃機関の運転に用いられる点火装置に関し、特には、火花式内燃機関の点火装置に用いられる高周波放電用点火コイル装置に関するものである。

近年、環境保全、燃料枯渇の問題が提起されており、自動車業界に於いてもこれらへの対応が急務となっている。この対応の一例として、過給機を利用したエンジンダウンサイジング、軽量化により燃料消費量を飛躍的に改善する方法がある。

高過給状態になると、エンジン燃焼室内の圧力が燃焼を伴っていない状態でも非常に高くなり、この中では燃焼を開始するための火花放電を発生させることが困難になることが知られている。この理由の一つに、点火プラグの高圧電極とＧＮＤ電極の間（ＧＡＰ）で絶縁破壊を引起すための要求電圧が非常に高くなり、点火プラグの絶縁碍子部の耐電圧値を超えてしまう点がある。
この課題を解決するために、碍子部の耐圧を上げる研究がなされているが、実情では要求に対し十分な耐圧を確保することは困難であり、点火プラグのＧＡＰ間隔を狭める手段をとらざるを得ない状況となっている。
しかしながら、点火プラグのＧＡＰを狭めると、今度は電極部による消炎作用の影響が大きくなり、始動性の低下、燃焼性の低下を引起すという課題が発生してしまう。

この問題を解決するためには、消炎作用、つまり電極部に取られる熱エネルギーを上回るエネルギーを火花放電で与える、もしくは、電極から少しでも遠いところで燃焼を引起す、といった回避手段が考えられ、例えば特許文献１に示すような点火装置が提案されている。

特許文献１に開示された点火装置は、従来の点火コイルにより点火プラグＧＡＰに火花放電を発生させ、この火花放電の経路にダイオード、ミキサを介して高周波電流を流し込むことで高エネルギーの火花放電、かつ通常の火花放電よりも広範囲に拡がる放電プラズマを形成することを可能にする装置である。

特開２０１１−０９９４１０号公報

特許文献１に示された従来の点火装置は、ダイオードを用いて高電圧の系と大電流の系を分離／結合するものだが、高耐圧ダイオードは鉛フリー化が困難であり量産性の観点で許容されないことが知られている。また交流エネルギーの半波を切り捨てている点で非常に効率が低い。

この発明は、従来の装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたものであって、簡単な構成で効率良く高エネルギー放電を実現すると共に、容易に大きな放電プラズマを形成することのできる高周波放電用点火コイル装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係る高周波放電用点火コイル装置は、電流を流すことで磁束を発生、蓄積する１次コイルと、前記1次コイルと磁気結合され、前記蓄積したエネルギーを解放することにより所定の高電圧を発生し、外部装置にエネルギーを供給するための高圧ターミナルに一端が接続される２次コイルと、高周波電源と前記高圧ターミナルとの間に接続され、前記高周波電源から供給される高周波電流を通し、前記２次コイルで発生する高電圧が前記高周波電源に印加されないようにブロックするためのバンドパスフィルタを構成する、互いに直列接続されたコンデンサとインダクタとを備え、前記インダクタの一端を前記高周波電源側に接続し、前記コンデンサの一端を前記高圧ターミナルに接続すると共に、前記１次コイル、前記２次コイル、前記コンデンサ、前記インダクタを同一のパッケージ内に配置するよう構成したものである。

この発明の高周波放電用点火コイル装置によれば、大きな交流放電電流を早い周期で点火プラグの電極間に供給することができるので、簡素な構成で効率良く高エネルギー放電を実現すると共に、大きな放電プラズマを形成し、狭小ＧＡＰの点火プラグを用いても始動性や燃焼性を損なうことがなくなるので、高過給ダウンサイジングによる軽量化や高圧縮比化による熱効率の向上等を行うことができる。従って、内燃機関の運転に利用する燃料を飛躍的に削減することが可能となり、ＣＯ２の排出量を大きく削減し、環境保全に貢献することができるものである。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

この発明の実施の形態１による高周波放電用点火コイル装置を用いた火花点火式点火装置の回路構成図である。 この発明の実施の形態１による高周波放電用点火コイル装置の具体的な構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態２による高周波放電用点火コイル装置の具体的な構成を示す構成図である。

以下、この発明に係る高周波放電用点火コイル装置（以下、単に点火コイル装置ともいう。）の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。

実施の形態１．
この発明による高周波放電用点火コイル装置は、点火コイル装置で作る高電圧により点火プラグの主プラグギャップ間に火花放電を発生させ、加えて、火花放電経路に高周波交流電流を流し込むことで、主プラグギャップ間に大きな放電プラズマを形成させる火花点火式点火装置に係るものである。

図１は、この発明の実施の形態１による点火コイル装置を用いた火花点火式点火装置の回路構成図である。図１に於いて、この発明の実施の形態１の高周波放電用点火コイル装置を用いた火花点火式点火装置は、点火プラグ１０１と、点火プラグ１０１に所定の高電圧を印加すると共に高周波交流電流を供給する点火コイル装置１０２と、点火コイル装置１０２に高周波用のエネルギーを供給する高周波電源１０３と、点火コイル装置１０２、および高周波電源１０３の動作を制御する制御装置１０４とを備えている。

点火プラグ１０１は、第１の電極としての高圧電極１０１aと、高圧電極１０１ａに対して所定の間隙である主プラグギャップを介して対向する第２の電極としての外側電極１０１ｂを備えている。

点火コイル装置１０２は、コア１１８を介して磁気的に結合された１次コイル１１１と２次コイル１１２、１次コイル１１１の通電を制御するスイッチング素子１１４とスイッチング素子１１４を駆動するためのドライバ装置Ａ１１３、点火プラグ１０１の主プラグギャップに絶縁破壊を引起す際に発生する容量放電系のノイズを抑制するための抵抗装置１１５とを備えている。

また点火コイル装置１０２は、高周波電源１０３から供給される高周波電流を通し、２次コイル１１２で発生する高電圧が高周波電源１０３に印加されないようにブロックするためのバンドパスフィルタを構成するコンデンサ１１６と、インダクタ１１７とを備えている。

前記バンドパスフィルタは、図１に示すように、高周波電源１０３側にインダクタ１１７、点火プラグ１０１側にコンデンサ１１６を配置する必要がある。この配置を反対にするとインダクタ１１７に非常に高い電圧が発生し、インダクタ１１７の耐圧設計が困難になり、かつコンデンサ１１６にもより高い電圧が印加されることとなり、コンデンサの耐圧設計が困難、かつインダクタ１１７、コンデンサ１１６ともにサイズが大きなものとなってしまい量産性を損なうためである。

コンデンサ１１６の容量値は１００ｐＦをよりも小さいものを選定する。容量値としてこれよりも大きなものを選定すると、２次コイル１１２に発生する高電圧がコンデンサ１１６を通りぬけてインダクタ１１７、高周波電源１０３に印加されてしまうためである。また容量値が大きくなるほど高耐圧のコンデンサとしては大きくなるので、この実施の形態１では５０ｐＦ程度のものを選定することとする。

２次コイル１１２の一端は、抵抗装置１１５を介して、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続されており、コンデンサ１１６の一端は直接、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続されている。

抵抗装置１１５は、ノイズを抑制するためのものであって、エンジンの構造や配線状態によりノイズの発生が少ない場合には取り付けなくても良く、この場合には２次コイル１１２の一端は直接、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続され、コンデンサ１１６の一端も直接、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続される。

１次コイル１１１、２次コイル１１２、コンデンサ１１６、インダクタ１１７は点火コイル装置１０２内である同一パッケージ内に配置することで、損失低減による低消費電力化、システムの簡素化、低コスト化、ノイズの抑制等に寄与できる。

スイッチング素子１１４、ドライバ装置Ａ１１３は、ノイズ低減や効率化のため点火コイル装置１０２内に配置しても良いし、エンジンの小型化、低重心化等を目的とし、点火コイル装置の小型、軽量化のために点火コイル装置１０２の外側、例えば制御装置１０４の内部や、高周波電源１０３の内部に配置しても良い。

次に、この発明の実施の形態１による高周波用点火コイル装置の具体的な構成例について説明する。
図２は、この発明の実施の形態１による点火コイル装置１０２の構成を説明する図である。図２において、点火コイル装置１０２内には１次コイル１１１、２次コイル１１２、コア１１８、コンデンサ１１６Ａ、インダクタ１１７、抵抗装置１１５Ａ、ドライバ装置Ｂ２０３が配置されている。ドライバ装置Ｂ２０３は、図１のスイッチング素子１１４とドライバ装置Ａ１１３とを同一パッケージ内に配置した装置である。

図２のコネクタ部２０１は点火コイル装置１０２のコネクタ部であって、バッテリ端子、ＧＮＤ端子、制御装置１０４に接続される端子、高周波電源１０３に接続される端子を有している。

１次コイル１１１の一方はバッテリ端子に接続され、他方はドライバ装置Ｂ２０３内のスイッチング素子１１４を介してＧＮＤ端子に接続されている。また、ドライバ装置Ｂ２０３内のスイッチング素子１１４はドライバ装置Ｂ２０３内のドライバ装置Ａ１１３に接続され、ドライバ装置Ａ１１３はコネクタ部２０１内の制御装置１０４につながる端子に接続されている。

コア１１８を中心として周囲に１次コイル１１１を配置し、さらに１次コイル１１１の周囲に２次コイル１１２を配置することで１次コイル１１１と２次コイル１１２とを磁気結合状態にしている。
コア１１８を完全な、もしくは１ｍｍ程度といった多少の間隙を有する程度のいわゆる閉磁路の構成とすることで、より磁気結合の状態を高めることができ、１次コイル１１１や２次コイル１１２の巻線数を少なくすることが可能になる。このとき、経路の直流抵抗成分を抑えることができるので発熱等の損失が少なくなり、効率良くエネルギーの伝達ができるので、点火装置の低消費電力化ができる。また閉磁路とし、磁路を閉じることで漏れ出る磁束エネルギーを最小限に留めることができるので、効率良くエネルギーの伝達ができると共に、ノイズの発生や別装置への磁気的な干渉を低減できる。

２次コイル１１２の一方はコネクタ部２０１内にあるバッテリ端子に接続され、他方は抵抗装置１１５Ａの一端に接続されている。抵抗装置１１５Ａはターミナル２０６に挿入、接続される。ターミナル２０６は、スプリング２０４、スリーブ２０５Ａに接続されると共に、コンデンサ１１６Ａの一端にも接続されている。

スプリング２０４及びスリーブ２０５Ａは点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａへと接続される。スプリング２０４Ａは、装置が激しく動く環境下にあっても点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａとの接続を保つためのものである。
スリーブ２０５は、装置が激しく動く環境下にあっても点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａとの接続を保つためのものであると共に、抵抗装置１１５Ａから点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａまでの間のインピーダンス値（インダクタンス値、直流抵抗値）を低減する機能も有している。従ってこの経路のインダクタンス値、直流抵抗値を低減することができるので発熱等の損失を低減し、効率良くエネルギー伝達ができるようになるので、装置の低消費電力化ができるようになる。

インダクタ１１７の一方はコネクタ部２０１内の高周波電源１０３に接続される端子に接続され、他方はコンデンサ１１６Ａに接続され、コンデンサ１１６Ａの他方は、ターミナル２０６に接続されている。

インダクタ１１７とコンデンサ１１６Ａとの間には１０ｋＶ程度の高い電圧が発生するので近くに電位の低い導電帯を配置しないように注意する。点火コイル装置１０２を小型化するため、インダクタ１１７を点火コイル装置１０２の外部に配置することも考えられるが、この場合はコネクタ部２０１の耐圧確保が難しくなり、特殊なコネクタを必要とするため、点火装置のコストアップとなってしまう恐れがある。従ってこの実施の形態１に示す装置では、インダクタ１１７、コンデンサ１１６Ａ共に点火コイル装置１０２の内部に配置し、エポキシ材の充填等による絶縁処理を施すこととした。

また、インダクタ１１７は１次コイル１１１、２次コイル１１２と磁気干渉しにくい配置にすることで、装置性能の安定化、品質を向上させることができる。すなわち、両者が発生する磁束の向きが平行にならない配置とし、例えば図２（ａ）に示すように磁束の向きが直行するように配置する。

インダクタ１１７は空芯、もしくは開磁路タイプのコアを使用したものとすることで、点火コイル装置１０２を小型化することができる。インダクタ１１７には数アンペア程度の高周波交流電流が流れるため、閉磁路タイプのコアを使用したものでは磁気飽和し易く、磁気飽和しないように余裕をみると巨大なコアが必要となり、従ってこれを内蔵する点火コイル装置１０２のサイズも大きくなってしまうためである。

以上のように、この発明の実施の形態１の高周波放電用点火コイル装置によれば、簡素かつコンパクトな構成で、効率良く高エネルギー放電を実現すると共に、大きな放電プラズマを形成し、狭小ＧＡＰの点火プラグを用いても、始動性や燃焼性を損なうことがなくなるので、高過給ダウンサイジングによる軽量化や、高圧縮比化による熱効率の向上等を行うことができるようになる。
従って、内燃機関の運転に利用する燃料を飛躍的に削減することが可能となり、ＣＯ２の排出量を大きく削減し、環境保全に貢献することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による高周波放電用点火コイル装置について説明する。上述の実施の形態１では、抵抗装置１１５Ａ、コンデンサ１１６Ａをプラグホールの外に配置したが、実施の形態２においては、これら抵抗装置、コンデンサをプラグホールの内部に配置することで、より放射ノイズを抑制できるようにしたものである。

図３は、この発明の実施の形態２による高周波放電用点火コイル装置１０２の構成を示す図である。
図３において、回路の構成、点火コイル装置１０２内に配置されるものは実施の形態１と同様であるので、重複する点の説明は割愛し、相違点について詳しく説明する。

図３（ａ）に示すように、実施の形態２においては、抵抗装置１１５Ｂとコンデンサ１１６Ｂをプラグホール３０１内に配置する。

コンデンサ１１６Ｂは図３（ｂ）に示すような円筒の形状をしており、電極の一端は円筒の内側の面３０２Ａ、他端は円筒の外側の面３０２Ｂとしている。

一端が２次巻線１１２に接続される抵抗装置１１５Ｂは、他端側がターミナル２０６に挿入され、ターミナル２０６に電気的に接続されている。ターミナル２０６は、コンデンサ１１６Ｂの円筒内に挿入され、内側の面の電極３０２Ａに電気的、物理的に接触している。またターミナル２０６はスプリング２０４、スリーブ２０５Ｂにも接触するように配置される。

コンデンサ１１６Ｂの他端の電極である円筒外側の電極は、インダクタ１１７に接続され、高周波電源１０３へとつながっている。

このような構成とすることで、ノイズ源となる容量放電系の電流が流れる経路を最短にでき、また経路をプラグホール３０１内に閉じ込めることにより、ノイズがエンジン外部に漏れ出ることを防止することができるようになる。

以上のように、この発明の実施の形態２の高周波放電用点火コイル装置によれば、簡素かつコンパクトな構成で、放射ノイズを低減しつつ、効率良く高エネルギー放電を実現すると共に、大きな放電プラズマを形成し、狭小ＧＡＰの点火プラグを用いても始動性や燃焼性を損なうことがなくなるので、高過給ダウンサイジングによる軽量化や、高圧縮比化による熱効率の向上等を行うことができるようになる。
従って、内燃機関の運転に利用する燃料を飛躍的に削減することが可能となり、ＣＯ２の排出量を大きく削減し、環境保全に貢献することができる。

この発明による高周波放電用点火コイル装置は、内燃機関を利用する自動車、二輪車、船外機、その他特殊機械等に搭載され、燃料への着火を確実に行えるようになるので、内燃機関を効率良く運転できるようになり、燃料枯渇問題、環境保全に役立つものである。

１０１ 点火プラグ １０１ａ 第１の電極（高圧電極）
１０１ｂ 第２の電極（外側電極） １０２ 点火コイル装置
１０３ 高周波電源 １０４ 制御装置
１１１ １次コイル １１２ ２次コイル
１１３ ドライバ装置Ａ １１４ スイッチング素子
１１５、１１５Ａ、１１５Ｂ 抵抗装置
１１６、１１６Ａ、１１６Ｂ コンデンサ
１１７ インダクタ １１８ コア
２０１ コネクタ部 ２０３ ドライバ装置Ｂ
２０４ スプリング ２０５Ａ、２０５Ｂ スリーブ
２０６ ターミナル ３０１ プラグホール

Claims (7)

1. 電流を流すことで磁束を発生、蓄積する１次コイルと、
   前記1次コイルと磁気結合され、前記蓄積したエネルギーを解放することにより所定の高電圧を発生し、外部装置にエネルギーを供給するための高圧ターミナルに一端が接続される２次コイルと、
   高周波電源と前記高圧ターミナルとの間に接続され、前記高周波電源から供給される高周波電流を通し、前記２次コイルで発生する高電圧が前記高周波電源に印加されないようにブロックするためのバンドパスフィルタを構成する、互いに直列接続されたコンデンサとインダクタとを備え、前記インダクタの一端を前記高周波電源側に接続し、前記コンデンサの一端を前記高圧ターミナルに接続すると共に、前記１次コイル、前記２次コイル、前記コンデンサ、前記インダクタを同一のパッケージ内に配置したことを特徴とする高周波放電用点火コイル装置。
2. 電流を流すことで磁束を発生、蓄積する１次コイルと、
   放射ノイズ抑制用の抵抗体と、
   前記1次コイルと磁気結合され、前記蓄積したエネルギーを解放することにより所定の高電圧を発生し、外部装置にエネルギーを供給するための高圧ターミナルに前記抵抗体を介して一端が接続される２次コイルと、
   高周波電源と前記高圧ターミナルとの間に接続され、前記高周波電源から供給される高周波電流を通し、前記２次コイルで発生する高電圧が前記高周波電源に印加されないようにブロックするためのバンドパスフィルタを構成する、互いに直列接続されたコンデンサとインダクタとを備え、前記インダクタの一端を前記高周波電源側に接続し、前記コンデンサの一端を前記高圧ターミナルに接続すると共に、前記１次コイル、前記２次コイル、前記コンデンサ、前記インダクタ、前記抵抗体を同一のパッケージ内に配置したことを特徴とする高周波放電用点火コイル装置。
3. 前記インダクタは、前記１次コイルおよび前記２次コイルと磁束の向きが直行するように配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波放電用点火コイル装置。
4. 前記コンデンサは、キャパシタンスが１００ｐＦ以下に設定されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高周波放電用点火コイル装置。
5. 前記高圧ターミナルに接続され、前記外部装置との接触を保つためのスプリングと、
   前記外部装置との接触を保ち、かつ前記高圧ターミナルから前記外部装置までのインピーダンスを低減するため、前記スプリングを覆うように配置されるスリーブとを備えること
   を特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の高周波放電用点火コイル装置。
6. 前記コンデンサは、高周波放電用点火コイルが取りつけられるエンジンのプラグホール内に収まるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の高周波放電用点火コイル装置。
7. 前記コンデンサ、前記抵抗体の両方、もしくはいずれか一方は、高周波放電用点火コイルが取りつけられるエンジンのプラグホール内に収まるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の高周波放電用点火コイル装置。