JP6437039B2 - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Description

この発明は、火花放電経路に高周波交流電流を流し込み、点火プラグの電極間の間隙に放電プラズマを形成させることにより、内燃機関を点火させる内燃機関の点火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、自動車業界においても、これらへの対応が急務となっている。この対応例として、排出ガスの一部を吸気ポートに還流させる排気ガス還流（ＥＧＲ）装置を搭載した内燃機関や、過給器を利用した内燃機関ダウンサイジング、或いは軽量化など、により内燃機関の燃料消費量を飛躍的に改善する方法がある。

ＥＧＲ量を増加させると燃焼室内に吸入される空気の割合が減少し、可燃混合気分布にバラツキが生じる場合があるため、着火性の低下によるトルク変動などが生じてしまうという課題がある。

この課題を解決するために、容量放電方式を用いた点火装置に於いて、火花放電を長期間継続させ、時間的な着火機会を多く持たせることで、可燃混合気のバラツキを吸収させる手法を用いた点火装置が、例えば特許文献１や特許文献２に提案されている。

又、過給器を利用した内燃機関では、高過給状態になると、内燃機関の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、この状況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。内燃機関の燃焼室内の圧力が高い場合に火花放電を発生させることが困難になる理由の一つは、点火プラグの中心電極と接地電極の間のギャップに絶縁破壊を引き起すための要求電圧が高くなり、点火プラグの絶縁碍子部の耐電圧値を超えてしまうことである。

前述のような課題を解決するために、点火プラグの碍子部の耐圧を上げる研究がなされているが、実情では要求される耐圧に対し十分な耐圧を確保することが困難であり、従って、これまでは点火プラグのギャップ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、点火プラグのギャップを狭めると、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、燃焼性の低下を引き起すという新たな課題が発生してしまう。

この問題を解決するためには、消炎作用によって電極部に奪われる熱を上回るエネルギーを火花放電に与える、若しくは電極から少しでも遠いところで燃焼を引き起す、といった回避手段が考えられるが、その回避手段の一つを採用した点火装置として、例えば特許文献２には高周波放電点火装置が提案されている。

特許文献１に記載された点火装置は、容量放電方式を用いて点火プラグのギャップ間で絶縁破壊を発生させ、容量放電方式による点火プラグのギャップ間の絶縁破壊後に、誘導放電方式により点火プラグのギャップ間に交流の火花放電を連続して発生させるようにしている。その誘導放電方式は、予めエネルギーを蓄積したコイルから点火コイル装置の１次コイルへエネルギーを断続的に供給することにより、点火プラグのギャップ間に交流の火花放電を連続して発生させる点火装置である。

また、特許文献２に記載された高周波放電点火装置は、従来の点火コイルにより点火プラグのギャップ間に火花放電を発生させ、この火花放電経路に高周波交流電流を流し込む
ことで、点火プラグのギャップ間に大きな交流プラズマを形成させる装置である

特許第４４９７０２７号公報 特許第５３５１８７４号公報

特許文献１に示された点火装置によれば、長時間放電を実現することで、時間的な着火の機会が増加し、失火防止の効果が見られる。しかし、着火タイミングのバラツキを抑えることができず、内燃機関が発生するトルクのバラツキの改善やドライバビリティの向上といった面での課題が残る。これらの課題を解決するためには、空間的な着火の機会を増やすことが必要となる。空間的な着火の機会を増やす手法として、特許文献２に示された高周波点火装置が開示されており、交流プラズマを形成することができる点で、失火防止や、発生トルクのバラツキを抑えることが可能である。

又、特許文献２に示された高周波点火装置は、点火プラグの消炎作用によって電極部に奪われる熱を上回るエネルギーを与えることができ、空間的な着火の機会を増やすことが可能であるため、点火プラグのギャップ間隔を狭めた内燃機関においても着火できるようになる。しかし、点火プラグのギャップ間に交流プラズマを発生させることで、点火プラグの電極が摩耗するといった課題がある。

更に、特許文献２の点火装置によれば、交流プラズマの発生及び交流プラズマを維持させるために交流電力を供給するので、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。

しかしながら、周知のように、内燃機関内の火花放電状態は変化しやすく、火花放電状態が変化しやすいため、火花放電を維持できる電力の範囲は変動するので、特許文献２に示すように、投入電力の全体を低減させると、火花放電状態が不安定になる。このため、火花放電途切れが発生すると、放電を維持できる期間（放電時間）が短くなってしまい、可燃混合気の着火性を十分に向上させることができないといった課題がある。

この発明は、従来の点火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り、内燃機関の燃焼状態に応じた投入電力で可燃混合気の着火性を効果的に向上させることができる内燃機関の点火装置を提供することを目的とする。

この発明による内燃機関の点火装置は、
間隙を介して対向する複数の電極を備え、前記間隙に火花放電を発生して内燃機関の燃焼室内の可燃混合気を点火させる点火プラグと、
所定の点火電圧を前記点火プラグに供給して前記間隙に前記火花放電の経路を形成させる点火コイル装置と、
バンドパスフィルタを構成する共振装置と、
前記共振装置を介し、前記間隙に形成された火花放電の経路に交流電流を供給する電流供給装置と、
内燃機関の燃焼室内の燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置と、
前記点火コイル装置の動作状態に応じて、前記燃焼状態検出装置が検出した前記燃焼状態に基づいて前記電流供給装置の出力を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃焼状態検出装置が検出した前記燃焼状態が悪化していると判断したときは、前記電流供給装置が供給する前記交流電流を増量補正し、前記燃焼状態検出装置が検出した前記燃焼状態が安定していると判断したときは、前記電流供給装置が供給する前記交流電流を減量補正すると共に、前記減量補正された前記交流電流に基づく交流電力を記憶するように構成されている、
ことを特徴とする。

この発明による内燃機関の点火装置によれば、内燃機関の燃焼状態に合わせて交流プラズマの投入電力を調整することができるため、火花放電途切れによる燃焼悪化や失火を防ぐことができる。又、この発明による内燃機関の点火装置によれば、交流プラズマの投入電力を抑制することで点火プラグの寿命を向上させることができる。

この発明の実施の形態１、実施の形態３、及び実施の形態４による高周波放電点火装置の構成図である。 この発明の実施の形態１による高周波放電点火装置の制御手順を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による高周波放電点火装置に於ける、燃焼状態検出装置の出力信号のバックグランドレベルとしきい値を示す波形図である。 この発明の実施の形態２による高周波放電点火装置の構成図である。 この発明の実施の形態２による高周波放電点火装置に於ける、イオン電流の燃焼期間を示す波形図である。 この発明の実施の形態２による高周波放電点火装置の制御手順を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２と実施の形態３によるバックグランドレベルとしきい値を示す波形図である。 この発明の実施の形態３による高周波放電点火装置の制御手順を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態４による高周波放電点火装置の制御手順を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態１から４による高周は放電点火装置について説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１、実施の形態３、及び実施の形態４による高周波放電点火装置の構成図である。この発明の実施の形態１による高周波放電点火装置は、点火コイルで生成する高電圧により点火プラグの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、点火プラグの中心電極と接地電極との間のギャップに大きな交流プラズマを形成させるように構成されている。

図１に於いて、この発明の実施の形態１による高周波放電点火装置は、車両等に搭載されるものであり、エネルギー供給装置１２０と、点火コイル装置１０１と、制御装置１４０と、内燃機関の燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置１３０と、を備えており、点火プラグ１１０の中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの間のギャップに火花放電とプラズマを発生させ、内燃機関の可燃混合気に点火するように構成されている。

エネルギー供給装置１２０は、インダクタ１２３とコンデンサ１２４により構成された共振装置１２２と、点火プラグ１１０の中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの間のギャップに形成された火花放電の経路に、共振装置１２２を介して交流電流を供給する電流供給装置１２１とを同一パッケージに内蔵している。電流供給装置１２１は、交流電流を生成するスイッチング回路により構成されている。

点火コイル装置１０１は、コア１０６を介して磁気的に結合された１次コイル１０２と２次コイル１０３と、１次コイル１０２の通電を制御するスイッチング素子１０５と、スイッチング素子１０５を駆動するドライバ装置１０４とを備えている。ドライバ装置１０
４は、内燃機関コントロールユニット（以下、ＥＣΜと称する）１５０からの指示により、スイッチング素子１０５を駆動する。制御装置１４０は、点火検出装置１４２を含むマイクロプロセッサ１４１により構成されている。

共振装置１２２は、バンドパスフィルタを構成するコンデンサ１２４とインダクタ１２３とを備え、電流供給装置１２１により生成された交流電流を、点火プラグ１１０の中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの間のギャップに生成される火花放電経路に供給すると共に、点火コイル装置１０１の２次コイル１０３により発生される高電圧が、電流供給装置１２１に印加されないようにブロックする。

前述のように、エネルギー供給装置１２０には、共振装置１２２と、電流供給装置１２１が同一パッケージに内蔵されているが、このように共振装置１２２と電流供給装置１２１を同一パッケージに備えた場合、共振装置１２２と電流供給装置１２１との間の電送経路が無くなることで、電送経路を伝わり発生する伝導ノイズや、空間を飛来する放射ノイズなどの高周波ノイズによる他の装置への影響を抑えることが可能となる。

尚、共振装置１２２と、電流供給装置１２１を同一パッケージとせずに、互いに近傍に配置し、電送経路を短くする方式や、共振装置１２２と、電流供給装置１２１をコネクタにより直接接続する方式を採用しても良い。

又、エネルギー供給装置１２０と、点火プラグ１１０についても、例えば、コネクタにより、直接、エネルギー供給装置１２０と点火プラグ１１０とを接続すれば、電送経路を無くすことにより高周波ノイズを抑えることが可能となる。エネルギー供給装置１２０と点火プラグ１１０を直接接続する場合、内燃機関の近傍にエネルギー供給装置１２０を配置することが必要となるため、エネルギー供給装置１２０は共振装置１２２と電流供給装置１２１のみを備えた小型のパッケージにするのが望ましい。

制御装置１４０は、前述のようにマイクロプロセッサ１４１を備えており、点火コイル装置１０１に於けるドライバ装置１０４の動作に応じて、電流供給装置１２１の動作の仕方を判断して電流供給装置１２１を制御し、又、燃焼状態検出装置１３０からの信号に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出する。更に、制御装置１４０は、ＥＣΜ１５０がドライバ装置１０４の動作を指示する信号を後述のように検出する点火検出装置１４２を備えている。

制御装置１４０は、ＥＣΜ１５０と同一パッケージに収納するようにしても良く、又、エネルギー供給装置１２０と同一パッケージに収納するようにしても良い。尚、ＥＣΜ１５０は、点火コイル装置１０１のドライバ装置１０４を駆動する信号を出力できる装置であれば、ＥＣΜ１５０に代えてその装置を使用することも可能である。

燃焼状態検出装置１３０は、内燃機関の燃焼状態を検出するための装置であり、内燃機関の回転速度を検出するセンサ、イオン電流を検出するセンサ、筒内圧力を検出する筒内圧力センサ、酸素濃度を検出するＯ２センサ等のうちの何れか１つ、若しくは何れか２つ以上を組み合わせたものであるが、この発明の実施の形態１による高周波放電点火装置では、内燃機関の回転速度を検出するセンサを備え、このセンサにより検出した内燃機関の回転速度に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出する。

具体的には、点火プラグ１１０の中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの間のギャップに点火コイル装置１０１により火花放電を発生させ、その後、点火プラグ１１０の中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの電極間に高周波交流電力（以下、ＲＦ電力とする）を印加して交流プラズマを発生させる。実施の形態１では、内燃機関の燃焼状態を検出す
る燃焼状態検出装置１３０に制御装置１４０が電気的に接続されており、制御装置１４０は、燃焼状態検出装置１３０から出力される信号に基づいて、内燃機関の運転状態に応じた高周波点火制御を行なう。

エネルギー供給装置１２０の電流供給装置１２１は、火花放電を発生させた点火プラグ１１０の中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの間のギャップに交流プラズマを発生させるＲＦ電力を生成する。

点火プラグ１１０の中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの間のギャップに火花放電を発生させる手段として、１次コイル１０２と２次コイル１０３を備える点火コイル装置１０１を備える。スイッチング素子１０５をオンとして１次コイル１０２に通電し、点火コイル装置１０１にエネルギーを蓄積する。その後、スイッチング素子１０５をオフとして１次コイル１０２への通電を遮断することで、２次コイル１０３に高圧の直流電力が発生し、点火プラグ１１０の中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの間のギャップに火花放電を発生させる。

共振装置１２２は、点火コイル装置１０１で生成された直流電力と、電流供給装置１２１で生成されたＲＦ電力とを結合して、点火プラグに供給する。共振装置１２２は、インダクタ１２３およびコンデンサ１２４を備えている。インダクタ１２３は、点火プラグ１１０及び電流供給装置１２１を電気的に接続し、電流供給装置１２１で生成されたＲＦ電力が点火コイル装置１０１に流れ込むのを抑制する。又、コンデンサ１２４は、点火プラグ１１０及び点火コイル装置１０１に電流供給装置１２１を電気的に接続し、点火コイル装置１０１で生成された直流電力が電流供給装置１２１に流れ込むのを抑制する。

制御装置１４０は、点火プラグ１１０の中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの間のギャップに火花放電が発生した後にＲＦ電力を投入するように、点火コイル装置１０１に対して１次コイル１０２の通電指示を行うと共に、電流供給装置１２１に対してＲＦ電力の生成を指示する。制御装置１４０は、電流供給装置１２１で生成されるＲＦ電力を燃焼状態検出装置１３０が検出する内燃機関の燃焼状態に応じて電流供給装置１２１を制御することによって、内燃機関の運転状態に適したＲＦ電力を生成することができる。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態１による高周波放電点火装置に於いて、次にその動作を説明する。図２は、この発明の実施の形態１による高周波放電点火装置の制御手順を示すフローチャートである。図２に於いて、先ず、ステップＳ１０１では、制御装置１４０に於ける点火検出装置１４２は、点火コイル装置１０１に於けるドライバ装置１０４の点火信号Ｉがロー（Ｌｏｗ）レベルからハイ（Ｈｉｇｈ）レベルに切り替わったタイミングを検出する。ここで、ドライバ装置１０４の点火信号Ｉがロー（Ｌｏｗ）レベルからハイ（Ｈｉｇｈ）レベルに切り替わったタイミングは、点火コイル装置１０１に於けるスイッチング素子１０５がオンとなり１次コイル１０２に通電が開始されるタイミングである。

制御装置１４０に於けるマイクロプロセッサ１４１は、点火検出装置が検出したドライバ装置１０４の点火信号Ｉがロー（Ｌｏｗ）レベルからハイ（Ｈｉｇｈ）レベルに切り替わったタイミングに於いて、燃焼状態検出装置１３０の出力信号を検出する。実施の形態１では、燃焼状態検出装置１３０の出力信号は、内燃機関の回転速度に対応する信号で構成されている。マイクロプロセッサ１４１は、燃焼状態検出装置１３０の出力信号である内燃機関の回転速度に対応する出力信号に基づいて、内燃機関の回転速度変動値（以下、「回転変動α」と称する）を求める。回転変動αの算出方法は周知の技術であるため、ここでは説明を省略する。

次に、ステップＳ１０２では、各判定しきい値を算出する。ここで各判定しきい値とは、燃焼悪化を判定するための燃焼悪化判定しきい値と、ＲＦ電力を低減させるための減量判定しきい値のことである。又、実施の形態１では、後述のバックグラウンドレベル（以下、ＢＧＬと称する）に基づいて各判定しきい値を算出する。図３は、この発明の実施の形態１による高周波放電点火装置に於ける、燃焼状態検出装置の出力信号のバックグランドレベルとしきい値を示す波形図であって、回転変動α、ＢＧＬ、ハイレベル側の減量判定しきい値（Ｈ）、ローレベル側の減量判定しきい値（Ｌ）、ハイレベル側の燃焼悪化判定しきい値（Ｈ）、ローレベル側の燃焼悪化判定しきい値（Ｌ）を、それぞれ示している。尚、各判定しきい値は、ＢＧＬを用いずに内燃機関の運転条件毎のマップ（以下、ＭＡＰと称する）より一定値に設定するようにしてもよい。

前述のＢＧＬは、回転変動αに基づいて、次の式（１）を用いてを算出する。ここで、ＫはＢＧＬのフィルタ係数、ＢＧＬ（ｎ−１）は１点火前のＢＧＬ、Ｖａｌuｅは回転変
動αの値、をそれぞれ示す。

式（１）により算出したＢＧＬを基準とし、この基準に対してＢＧＬをプラス側にオフセットさせて燃焼悪化判定しきい値（Ｈ）を算出し、ＢＧＬをマイナス側にオフセットさせて燃焼悪化判定しきい値（Ｌ）を算出する。前述のオフセットの量は、一定の値でも良いし、内燃機関の運転条件によって切り替えても良い。また、内燃機関の回転速度や負荷、水温といった運転情報を基に、燃焼悪化判定しきい値（Ｈ）と燃焼悪化判定しきい値（Ｌ）のマップ（ＭＡＰ）を備えるようにしてもよい。

また、回転変動αが小さい場合は、燃焼状態が安定していると判断し、ＲＦ電力を減量させる。燃焼状態が安定していると判断する減量判定しきい値は、ＢＧＬと燃焼悪化判定しきい値（Ｈ）の割合Ｐ１［％］、ＢＧＬと燃焼悪化判定しきい値（Ｌ）の割合Ｐ２［％］とする。割合Ｐ１［％］、割合Ｐ２［％］は、燃焼悪化判定しきい値（Ｈ）及び燃焼悪化判定しきい値（Ｌ）と同様に、一定の値や、内燃機関の運転条件によって切り替えても良く、内燃機関の回転速度や負荷、水温といった運転情報を基に、割合Ｐ１［％］と割合Ｐ２［％］のＭＡＰを備えるようにしてもよい。

図２に於いて、前述のステップＳ１０２にて各判定しきい値を決定した後、ステップＳ１０３に於いて回転変動αと、燃焼悪化判定しきい値（Ｈ）又は燃焼悪化判定しきい値（Ｌ）と、の比較を行う。即ち、回転変動αが正の値の場合は燃焼悪化判定しきい値（Ｈ）と比較を行い、回転変動αが負の値の場合は燃焼悪化判定しきい値（Ｌ）と比較する。ステップＳ１０３での比較の結果、［｜回転変動α（＋）｜≧燃焼悪化判定しきい値（Ｈ）］である場合（Ｙｅｓ）、若しくは［｜回転変動α（−）｜≦燃焼悪化判定しきい値（Ｌ）］である場合（Ｙｅｓ）の場合には、燃焼状態が悪化していると判断してステップＳ１０４に進む。又、ステップＳ１０３に於いて判定の結果、［｜回転変動α（＋）｜≧燃焼悪化判定しきい値（Ｈ）］でない場合（Ｎｏ）、若しくは［｜回転変動α（−）｜≦燃焼悪化判定しきい値（Ｌ）］でない場合（Ｎｏ）の場合は，燃焼悪化ではないと判断し、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０４では、ＲＦ電力を増量させるための補正量を決定し、処理を終了する。補正量の決定は、例えば、ＲＦ電流値を増加（例えば、３［Ａ］から５［Ａ］に増やす）させたり、ＲＦ投入時間を増加（例えば、１００［μｓ］から５００［μｓ］に長くする）させたり、多重点火のように複数回投入するように設定する。ＲＦ電力の補正量は、ステップＳ１０２と同じく一定の値や、運転条件によって切り替えても良く、運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。

一方、ステップＳ１０５では、回転変動αと、減量判定しきい値（Ｈ）又は減量判定しきい値（Ｌ）と、の比較を行う。即ち、回転変動αが正の値の場合は減量判定しきい値（Ｈ）と比較を行い、回転変動αが負の値の場合は減量判定しきい値（Ｌ）と比較する。ステップＳ１０５での比較の結果、［｜回転変動α（＋）｜≦減量判定しきい値（Ｈ）］である場合（Ｙｅｓ）、若しくは［｜回転変動α（−）｜≧減量判定しきい値（Ｌ）］である場合（Ｙｅｓ）の場合には、燃焼状態が安定していると判断してステップＳ１０６に進む。又、ステップＳ１０５に於いて判定の結果、［｜回転変動α（＋）｜≦減量判定しきい値（Ｈ）］でない場合（Ｎｏ）、若しくは［｜回転変動α（−）｜≧減量判定しきい値（Ｌ）］でない場合（Ｎｏ）は、ＲＦ電力の減量をせず処理を終了する。

ステップＳ１０６では、ＲＦ電力を減量させるための減少量を決定し、処理を終了する。しかし燃焼が安定していると判断して、ステップＳ１０４のように大きく補正してしまうとドライバビリティが悪化する懸念があるため、減少量は少なく設定する。例えば、ＲＦ電流値を減少（５［Ａ］から４．８［Ａ］に減らす等）させたり、ＲＦ投入時間を減少（５００［μｓ］から４５０「μｓ」に短くする等）させたり、ＲＦ複数投入回数を減少（５回から４回に減らす等）させるように設定する。ＲＦ電力の減少量は、ステップＳ１０４の場合と同様に、一定の値や、運転条件によって切り替えても良く、運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。又、ＲＦ電力を減量させる際にＲＦ電力が小さくなり過ぎないよう、ＲＦ電力の下限値を決め、クリップを掛けておくことが望ましい。

次に、ステップＳ１０７では、燃焼状態が安定している状態であるため、ＲＦ電力を記憶する。記憶させる手段として、例えば不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ等に記憶しても良い。記憶するタイミングとして、毎回更新、又は、ＲＦ電力が最小値になったとき、又は、燃焼状態が安定してから数点火後、又は、電源オフ時、等である。記憶したＲＦ電力は、次回の内燃機関始動時のＲＦ電力の初期値とすることで、過度なＲＦ電力投入を抑制することができる。又、ＲＦ電力を運転条件毎に記憶し、各運転条件の初期値に記憶したＲＦ電力を設定しても良い。

以上のように、この発明の実施の形態１による高周波放電点火装置によれば、回転変動αによる燃焼状態判断に応じて最適なＲＦ電力を投入することができ、燃焼状態が安定している際にはＲＦ電力を減量させることで、交流プラズマによる点火プラグ１１０の電極消耗を抑制することができる。その結果、燃焼状態を安定させながら、交流プラズマを発生させる点火プラグ１１０の寿命を向上させることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による高周波放電点火装置について説明する。図４は、この発明の実施の形態２による高周波放電点火装置の構成図である。この発明の実施の形態２による高周波放電点火装置は、前述の実施の形態１による高周波放電点火装置に対し、燃焼状態検出装置１３０に代えて、点火コイル装置１０１にイオン電流検出装置１６０を備えたものである。内燃機関の燃焼状態は、このイオン電流検出装置１６０より得られる信号を基に判断する。尚、図４に於いて、実施の形態１に於ける図１と同一記号は同一又は相当部分を示している。以下、実施の形態１との相違点を詳細に説明する。

イオン電流検出装置１６０は、点火コイル装置１０１の２次電圧を利用してイオン電流を検出するために、イオン電流の検出プローブとしての点火プラグ１１０に正のバイアス電圧をチャージする。スイッチング素子１０５をオンとして１次コイル１０２に通電し、
エネルギーを点火コイル装置１０１に蓄積する。その後、スイッチング素子１０５をオフとして１次コイル１０２への通電を遮断することで、２次コイル１０３に高圧の直流電力が発生し、点火プラグ１１０の中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの間のギャップに火花放電を発生させる。

このとき、放電後の点火プラグ１１０は、正のバイアス電圧が印加されているため、中心電極１１０ａと接地電極１１０ｂとの間のギャップを介してイオン電流が流れ、イオン電流検出装置１６０によりイオン電流が検出される。このイオン電流は、可燃混合気が燃焼する際に発生するイオンをイオン電流と呼ばれる電流値としてイオン電流検出装置１６０により検出することができる。この発明の実施の形態２では、イオン電流の検出プローブとして点火プラグ１１０を用いているが、点火装置の点火プラグとは別に、検出プローブを設け、この検出プローブに電圧を印加する電源を備えるようにしても良く、或いは、内燃機関の燃焼室に複数本の点火プラグを備えてイオン電流を検出するようにしてもよい。

次に、具体的に、イオン電流の検出手法について説明する。図５は、この発明の実施の形態２による高周波放電点火装置に於ける、イオン電流の燃焼期間を示す波形図であって、（ａ）は点火信号の波形、（ｂ）はイオン電流の波形を示している。図５に於いて、バイアス印加時に発生するノイズをマスク期間でマスクし、そのマスク期間以降のデータによりイオン電流の発生有無を判断する。データが燃焼判定しきい値を超えている期間をイオン電流燃焼期間ＩＯＮｗであると判定し、イオン電流燃焼期間ＩＯＮｗが短いほど燃焼状態悪化とする。又、データが燃焼判定しきい値を超えない場合は失火として判定する。そして、イオン電流燃焼期間ＩＯＮｗを制御装置１４０に備えるマイクロプロセッサ１４１に記憶させる。

図６は、この発明の実施の形態２による高周波放電点火装置の制御手順を示すフローチャートである。図６に於いて、先ず、ステップＳ２０１では、制御装置１４０に於ける点火検出装置１４２は、点火コイル装置１０１に於けるドライバ装置１０４の点火信号Ｉがロー（Ｌｏｗ）レベルからハイ（Ｈｉｇｈ）レベルに切り替わったタイミングを検出する。ここで、ドライバ装置１０４の点火信号Ｉがロー（Ｌｏｗ）レベルからハイ（Ｈｉｇｈ）レベルに切り替わったタイミングは、点火コイル装置１０１に於けるスイッチング素子１０５がオンとなり１次コイル１０２に通電が開始されるタイミングである。そのタイミングで、制御装置１４０のマイクロプロセッサ１４１に記憶している１点火前のイオン電流からのイオン電流燃焼期間ＩＯＮｗを読み出す。

ステップＳ２０２では、各判定しきい値を算出する。各判定しきい値については前述の実施の形態１の場合と同様であり、ここでは説明を省略する。図７は、この発明の実施の形態２と後述の実施の形態３によるバックグランドレベルとしきい値を示す波形図であって、ＢＧＬ、減量判定しきい値、燃焼悪化判定しきい値、後述のイオン電流燃焼期間に於ける内燃機関の筒内の平均有効圧であるＩＭＥＰを、それぞれ示している。尚、各判定しきい値は、ＢＧＬを用いずに内燃機関の運転条件毎のＭＡＰより一定値に設定するようにしてもよい。

前述のイオン電流燃焼期間ＩＯＮｗに於いて、前述のＢＧＬを、回転変動αに基づいて前述の式（１）を用いて算出する。尚、実施の形態２では、式（１）に於いて、ＫはＢＧＬのフィルタ係数、ＢＧＬ（ｎ−１）は１点火前のＢＧＬ、Ｖａｌｕｅは、イオン電流燃焼期間ＩＯＮｗの値である。

式（１）により算出したＢＧＬを基準とし、この基準に対してＢＧＬをマイナス側にオフセットさせて燃焼悪化判定しきい値を算出する。オフセットの量は実施の形態１の場合
と同様に、一定の値でも良いし、運転条件によって切り替えても良い。又、内燃機関の回転数や負荷、水温といった運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。

又、イオン電流燃焼期間ＩＯＮｗが長い場合は、燃焼状態が安定していると判断し、ＲＦ電力を減量させる。燃焼状態が安定していると判断する減量判定しきい値は、算出したＢＧＬを基準とし、この基準に対してＢＧＬをプラス側にオフセットさせて算出する。オフセット量はＢＧＬと燃焼悪化判定しきい値の割合Ｐ［％］分である。割合Ｐ［％］も燃焼悪化判定しきい値と同様に、一定の値や、運転条件によって切り替えても良く、運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。ここで減量判定しきい値は、ＢＧＬを基準にマイナス側にオフセットさせても良く、プラス側とマイナス側の両方に設定しても良い。

各しきい値決定後、ステップＳ２０３にて、イオン電流燃焼期間ＩＯＮｗと燃焼悪化判定しきい値の比較を行い、比較した結果、［ＩＯＮｗ≦燃焼悪化判定しきい値］であれば（Ｙｅｓ）、燃焼状態が悪化していると判断し、ステップＳ２０４に進む。一方、ステップＳ２０３での比較の結果、［ＩＯＮｗ≦燃焼悪化判定しきい値］でなければ（Ｎｏ）、燃焼悪化ではないと判断し、ステップＳ２０５に進む。

ステップＳ２０４では、ＲＦ電力を増量させるための補正量を決定し、処理を終了する。補正量の決定は、実施の形態１の場合と同様であり、例えば、ＲＦ電流値を増加（例えば、３［Ａ］から５［Ａ］に増やす）させたり、ＲＦ投入時間を増加（例えば、１００［μｓ］から５００［μｓ］に長くする）させたり、多重点火のように複数回投入するように設定する。ＲＦ電力の補正量は、ステップＳ１０２と同じく一定の値や、運転条件によって切り替えても良く、運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。

ステップＳ２０５では、イオン電流燃焼期間ＩＯＮｗと減量判定しきい値の比較を行い、比較した結果、［ＩＯＮｗ≧減量判定しきい値］であれば（Ｙｅｓ）、燃焼状態が安定していると判断してステップＳ２０６に進む。一方、［ＩＯＮｗ≧減量判定しきい値］でなければ（Ｎｏ）、ＲＦ電力を減量できるほど燃焼状態が安定しているわけではないと判断し、ＲＦ電力の減量をせず処理を終了する。

次に、ステップＳ２０６では、ＲＦ電力を減量させるための減少量を決定し、処理を終了する。しかし燃焼が安定していると判断して、ステップＳ２０４のように大きく補正してしまうとドライバビリティが悪化する懸念があるため、減少量は少なく設定する。ＲＦ電力の減量は、実施の形態１と同様に、例えば、ＲＦ電流値を減少（５［Ａ］から４．８［Ａ］に減らす等）させたり、ＲＦ投入時間を減少（５００［μｓ］から４５０[μｓ]に短くする等）させたり、ＲＦ複数投入回数を減少（５回から４回に減らす等）させるように設定する。ＲＦ電力の減少量は、一定の値や、運転条件によって切り替えても良く、運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。又、ＲＦ電力を減量させる際にＲＦ電力が小さくなり過ぎないよう、ＲＦ電力の下限値を決め、クリップを掛けておくことが望ましい。

ステップＳ２０７では、燃焼状態が安定している状態であるため、ＲＦ電力を記憶する。記憶させる手段として、実施の形態１と同様に例えば不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ等に記憶しても良い。記憶したＲＦ電力は、次回内燃機関始動時のＲＦ電力の初期値とすることで、過度なＲＦ電力投入を抑制することができる。また、ＲＦ電力を運転条件毎に記憶し、各運転条件の初期値に記憶したＲＦ電力を設定しても良い。

以上のように、この発明の実施の形態２による高周波放電点火装置によれば、イオン電流燃焼期間ＩＯＮｗによる燃焼状態判断に応じて最適なＲＦ電力を投入することができ、燃焼状態が安定している際にはＲＦ電力を減量させることで、交流プラズマによる点火プラグ１１０の電極消耗を抑制することができる。その結果、燃焼状態を安定させながら、
交流プラズマを発生させる点火プラグ１１０の寿命を向上させることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による高周波放電点火装置について説明する。前述の図１はこの発明の実施の形態３による高周波放電点火装置の構成図である。前述の実施の形態１に対し、実施の形態３では、燃焼状態検出装置１３０は筒内圧力センサにより検出した内燃期間の筒内圧力に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出するものである。則ち、燃焼状態は、筒内圧力センサから得られる信号に基づいて判断する。尚、図１に於いて実施の形態１の場合と同一符号は同一機能を示しており、以下の説明では、実施の形態１との相違点を主体に説明する。

図１に於いて、燃焼状態検出装置１３０は、筒内圧力センサからの信号に基づいて、内燃機関の筒内の平均有効圧（以下、ＩＭＥＰと称する）を求め、ＩＭＥＰより燃焼悪化を検出する。ＩＭＥＰの算出方法は周知の技術であるためここでは説明は省略する。

図８は、この発明の実施の形態３による高周波放電点火装置の制御手順を示すフローチャートである。図８に於いて、先ず、ステップＳ３０１では、制御装置１４０に於ける点火検出装置１４２が、点火コイル装置に於けるドライバ装置１０４により点火信号Ｉがロー（Ｌｏｗ）からハイ（Ｈｉｇｈ）に切り替わったタイミングを検出する。そのタイミングで、制御装置１４０のマイクロプロセッサ１４１に記憶している１点火前のＩＭＥＰを読み出す。

ステップＳ３０２では、各判定しきい値を算出する。各判定しきい値については、前述の実施の形態１の場合と同様であるため、ここでは説明を省略する。前述の図７は、この発明の実施の形態３にも適用されるバックグランドレベルとしきい値を示す波形図である。

ＩＭＥＰに基づいて、前述の実施の形態１に於ける式（１）を用いてＢＧＬを算出する。尚、実施の形態３では、式（１）に於いて、ＫはＢＧＬのフィルタ係数、ＢＧＬ（ｎ−１）は１点火前のＢＧＬ、Ｖａｌｕｅは、ＩＭＥＰの値である。

式（１）により算出したＢＧＬを基準とし、この基準に対してＢＧＬをマイナス側にオフセットさせて燃焼悪化判定しきい値を算出する。オフセット量は、実施の形態１と同様に、一定の値でも良いし、運転条件によって切り替えても良い。また、内燃機関回転数や負荷、水温といった運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。

又、ＩＭＥＰが高い場合は燃焼状態が安定していると判断し、ＲＦ電力を減量させる。燃焼状態が安定していると判断する減量判定しきい値は、式（１）により算出したＢＧＬを基準とし、この基準に対してＢＧＬを基準にプラス側にオフセットさせる。オフセット量はＢＧＬと燃焼悪化判定しきい値の割合Ｐ［％］分である。割合Ｐ［％］も燃焼悪化判定しきい値と同様に、一定の値や、運転条件によって切り替えても良く、運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。尚、減量判定しきい値は、ＢＧＬを基準にマイナス側にオフセットさせても良く、プラス側とマイナス側の両方に設定しても良い。

各しきい値決定後、ステップＳ３０３に於いて、ＩＭＥＰと燃焼悪化判定しきい値の比較を行い、比較した結果、燃焼状態が悪化していると判断してステップＳ３０４に進む。一方、［ＩＭＥＰ≦燃焼悪化判定しきい値］でなければ（Ｎｏ）、燃焼悪化ではないと判断してステップＳ３０５に進む。

ステップＳ３０４では、ＲＦ電力を増量させるための補正量を決定し、処理を終了する
。補正量の決定手段は実施の形態１の場合と同様であり、例えば、ＲＦ電流値を増加（例えば、３［Ａ］から５［Ａ］に増やす）させたり、ＲＦ投入時間を増加（例えば、１００［μｓ］から５００［μｓ］に長くする）させたり、多重点火のように複数回投入するように設定する。ＲＦ電力の補正量は、ステップＳ１０２と同じく一定の値や、運転条件によって切り替えても良く、運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。

ステップＳ３０５では、ＩＭＥＰと減量判定しきい値の比較を行い、比較した結果、［ＩＭＥＰ≧補正減量判定しきい値］であれば（Ｙｅｓ）、燃焼状態が安定していると判断してステップＳ３０６に進む。一方、［ＩＭＥＰ≧補正減量判定しきい値］でなければ（Ｎｏ）、ＲＦ電力を減量できるほど燃焼状態が安定しているわけではないと判断して、ＲＦ電力の減量をせず処理を終了する。

ステップＳ３０６では、ＲＦ電力を減量させるための減少量を決定し、処理を終了する。しかし燃焼が安定していると判断して、ステップＳ１０４のように大きく補正してしまうとドライバビリティが悪化する懸念があるため、減少量は少なく設定する。例えば、ＲＦ電流値を減少（５［Ａ］から４．８［Ａ］に減らす等）させたり、ＲＦ投入時間を減少（５００［μｓ］から４５０［μｓ］に短くする等）させたり、ＲＦ複数投入回数を減少（５回から４回に減らす等）させるように設定する。ＲＦ電力の減少量は、ステップＳ１０４の場合と同様に、一定の値や、運転条件によって切り替えても良く、運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。又、ＲＦ電力を減量させる際にＲＦ電力が小さくなり過ぎないよう、ＲＦ電力の下限値を決め、クリップを掛けておくことが望ましい。

ステップＳ３０７では、燃焼状態が安定している状態であるため、ＲＦ電力を記憶する。記憶させる手段として、実施の形態１と同様に例えば不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ等に記憶しても良い。記憶したＲＦ電力は、次回内燃機関始動時のＲＦ電力の初期値とすることで、過度なＲＦ電力投入を抑制することができる。また、ＲＦ電力を運転条件毎に記憶し、各運転条件の初期値に記憶したＲＦ電力を設定しても良い。

以上述べたように、この発明の実施の形態３による高周波放電点火装置によれば、ＩＭＥＰによる燃焼状態判断に応じて最適なＲＦ電力を投入することができ、燃焼状態が安定している際にはＲＦ電力を減量させることで、交流プラズマによる点火プラグ１１０の電極消耗を抑制することができる。その結果、燃焼状態を安定させながら、交流プラズマを発生させる点火プラグ１１０の寿命を向上させることができる。

尚、実施の形態３では筒内圧力センサより、ＩＭＥＰを算出し燃焼状態を判断したが、燃焼質量割合（ＭＦＢ）や、熱発生量、熱発生率より燃焼状態を判断しても良い。

実施の形態４
次に、この発明の実施の形態３による高周波放電点火装置について説明する。前述の図１はこの発明の実施の形態４による高周波放電点火装置の構成図である。実施の形態１に対し、実施の形態４では燃焼状態検出装置１３０は酸素センサ（以下、Ｏ２センサと称する）により可燃混合気がリーン状態か否かを検出するものである。尚、図１に於いて実施の形態１の場合と同一符号は同一機能を示しており、以下の説明では、実施の形態１との相違点を主体に説明する。

燃焼状態検出装置１３０は、Ｏ２センサからの信号に基づいて可燃混合気がリーン状態若しくはリッチ状態であることを検出する。リーン状態の場合、可燃混合気分布にバラツキが生じやすいため燃焼状態が不安定になりやすい。そのため、リーン状態と判断したときはＲＦ電力を大きくし、空間的な着火の機会を増やす。

図９は、この発明の実施の形態４による高周波放電点火装置の制御手順を示すフローチャートである。図９に於いて、先ず、ステップＳ４０１では、制御装置１４０に於ける点火検出装置１４２が、点火コイル装置に於けるドライバ装置１０４により点火信号Ｉがロー（Ｌｏｗ）からハイ（Ｈｉｇｈ）に切り替わったタイミングを検出する。そのタイミングで、制御装置１４０のマイクロプロセッサ１４１に記憶している１点火前のＯ２センサの出力状態を読み出す。

ステップＳ４０２では、Ｏ２センサの出力Ｏ２ｏｕｔがリーン状態であるか否かを判定し、判定の結果、Ｏ２センサの出力Ｏ２ｏｕｔがリーン状態であれば（Ｙｅｓ）、ステップＳ４０３に進む。一方、Ｏ２センサの出力Ｏ２ｏｕｔがリーン状態でなければ（Ｎｏ）、ステップＳ４０４に進む。ステップＳ４０３では、ＲＦ電力を増量させるための補正量を決定し、処理を終了する。補正量の決定は実施の形態１と同様であり、例えば、ＲＦ電流値を増加（例えば、３［Ａ］から５［Ａ］に増やす）させたり、ＲＦ投入時間を増加（例えば、１００［μｓ］から５００［μｓ］に長くする）させたり、多重点火のように複数回投入するように設定する。ＲＦ電力の補正量は、ステップＳ１０２と同じく一定の値や、運転条件によって切り替えても良く、運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。

ステップＳ４０４では、ＲＦ電力を減量させるための減少量を決定し、処理を終了する。しかしステップＳ４０３のように大きく補正してしまうとドライバビリティが悪化する懸念があるため、減少量は少なく設定する。ＲＦ電力の減量は、実施の形態１と同様であり、例えば、ＲＦ電流値を減少（５［Ａ］から４．８［Ａ］に減らす等）させたり、ＲＦ投入時間を減少（５００［μｓ］から４５０［μｓ］に短くする等）させたり、ＲＦ複数投入回数を減少（５回から４回に減らす等）させるように設定する。ＲＦ電力の減少量は、一定の値や、運転条件によって切り替えても良く、運転情報を基にＭＡＰを持たせても良い。又、ＲＦ電力を減量させる際にＲＦ電力が小さくなり過ぎないよう、ＲＦ電力の下限値を決め、クリップを掛けておくことが望ましい。

ステップＳ４０５では、リーン状態ではないため、ＲＦ電力を記憶する。記憶させる手段として、実施の形態１と同様に例えば不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ等に記憶しても良い。記憶したＲＦ電力は、次回内燃機関始動時のＲＦ電力の初期値とすることで、過度なＲＦ電力投入を抑制することができる。また、ＲＦ電力を運転条件毎に記憶し、各運転条件の初期値に記憶したＲＦ電力を設定しても良い。

以上のようにこの発明の実施の形態４による高周波放電点火装置によれば、Ｏ２センサによる可燃混合気のリーン若しくはリッチ状態に応じて最適なＲＦ電力を投入することができ、リーン状態ではない際にはＲＦ電力を減量させることで、交流プラズマによる点火プラグ１１０の電極消耗を抑制することができる。その結果、燃焼状態を安定させながら、交流プラズマを発生させる点火プラグ１１０の寿命を向上させることができる。

尚、以上述べた実施の形態１から実施の形態４に於いて、ドライバ装置１０４からの点火信号Ｉがロー（Ｌｏｗ）からハイ（Ｈｉｇｈ）に切り替わった通電開始タイミングを起点に高周波放電点火装置の制御処理を示したが、点火信号Ｉがハイ（Ｈｉｇｈ）からロー（Ｌｏｗに）切り替わった通電遮断タイミングを起点にしても良く、一定時間間隔で行っても良い。

この発明による高周波放電点火装置は、内燃機関を利用する自動車、二輪車、船外機、その他特殊機械などにも搭載され、可燃混合気への着火を確実に行えるようになるので、内燃機関を効率よ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。

なお、この発明は、前述の実施の形態１から実施の形態４による高周波放電点火装置に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、実施の形態１から実施の形態４の構成を適宜組み合わせたり、その構成に一部変形を加えたり、構成を一部省略することが可能である。

１０１ 点火コイル装置、１０２ １次コイル、１０３ ２次コイル、１０４ ドライバ装置、１０５ スイッチング素子、１０６ コア、１１０ 点火プラグ、１１０ａ 中心電極、１１０ｂ 接地電極、１２０ エネルギー供給装置、１２１ 電流供給装置、１２２ 共振装置、１２３ インダクタ、１２４ コンデンサ、１３０ 燃焼状態検出装置、１４０ 制御装置、１４１ マイクロプロセッサ、１４２ 点火検出装置、１５０ ＥＣΜ、１６０ イオン電流検出装置

Claims (7)

1. 間隙を介して対向する複数の電極を備え、前記間隙に火花放電を発生して内燃機関の燃焼室内の可燃混合気を点火させる点火プラグと、
   所定の点火電圧を前記点火プラグに供給して前記間隙に前記火花放電の経路を形成させる点火コイル装置と、
   バンドパスフィルタを構成する共振装置と、
   前記共振装置を介し、前記間隙に形成された火花放電の経路に交流電流を供給する電流供給装置と、
   内燃機関の燃焼室内の燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置と、
   前記点火コイル装置の動作状態に応じて、前記燃焼状態検出装置が検出した前記燃焼状態に基づいて前記電流供給装置の出力を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記燃焼状態検出装置が検出した前記燃焼状態が悪化していると判断したときは、前記電流供給装置が供給する前記交流電流を増量補正し、前記燃焼状態検出装置が検出した前記燃焼状態が安定していると判断したときは、前記電流供給装置が供給する前記交流電流を減量補正すると共に、前記減量補正された前記交流電流に基づく交流電力を記憶するように構成されている、
   ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 前記制御装置は、前記燃焼状態検出装置の出力に応じて、前記電流供給装置が供給する交流電流の電流レベルと電流供給期間と電流供給回数とのうちの少なくとも一つを制御するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 前記燃焼状態検出装置は、前記内燃機関の回転速度の回転変動値に基づいて前記燃焼室内の燃焼状態を判定するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の点火装置。
4. 前記燃焼状態検出装置は、前記内燃機関に発生するイオン電流に基づいて前記燃焼室内の燃焼状態を判定するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の点火装置。
5. 前記燃焼状態検出装置は、前記内燃機関の筒内圧力に基づいて前記燃焼室内の燃焼状態を判定するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の点火装置。
6. 前記燃焼状態検出装置は、前記内燃機関に設けられた空燃比センサの出力に基づいて前記燃焼室内の燃焼状態を判定するように構成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の点火装置。
7. 前記制御装置は、前記電流供給装置の出力を制御する制御値を学習する学習装置を備えている、
   ことを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか一項に記載の内燃機関の点火装置。

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