JPH11148452A - 筒内噴射ガソリンエンジン用点火装置 - Google Patents

筒内噴射ガソリンエンジン用点火装置

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JPH11148452A
JPH11148452A JP10235591A JP23559198A JPH11148452A JP H11148452 A JPH11148452 A JP H11148452A JP 10235591 A JP10235591 A JP 10235591A JP 23559198 A JP23559198 A JP 23559198A JP H11148452 A JPH11148452 A JP H11148452A
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ignition
gasoline engine
injection gasoline
discharge
direct injection
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Yasuo Ito
康生 伊藤
Kazuhiro Yamada
和弘 山田
Kazuhisa Mogi
和久 茂木
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Toyota Motor Corp
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Denso Corp
Toyota Motor Corp
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    • F02P5/04Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
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    • F02P5/1556Analogue data processing by determination of elapsed angle with reference to a particular point on the motor axle, dependent on specific conditions using a stepped control, dependent on speed
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒内噴射ガソリンエンジン用点火装置の着火
性能(失火防止性能)を向上させながら、小型化・軽量
化・低コスト化を実現する。 【解決手段】 筒内噴射ガソリンエンジンにおいて、エ
ンジン回転数が設定回転数以下(低回転・中回転領域)
の場合には、通常の点火コイルの一次電流の遮断動作後
(イグナイタのパワートランジスタのオフ後)に、パワ
ートランジスタを一定周期で繰り返しオン/オフさせて
点火プラグを多重放電させる(ステップ102,10
4)。この多重放電(パワートランジスタのオン/オ
フ)を、クランク角が予め設定された一定クランク角に
なるまで実行し(ステップ105)、一定クランク角に
なった時点で、パワートランジスタのオン/オフを停止
して多重放電を停止する。一方、エンジン回転数が設定
回転数より高い高回転領域である場合には、多重放電を
行わない(ステップ102,103)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、筒内にガソリンを
直接噴射する筒内噴射ガソリンエンジンに適用される筒
内噴射ガソリンエンジン用点火装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】近年、低燃費、高出力、低排気エミッシ
ョンで脚光を浴びている筒内噴射ガソリンエンジンは、
非常に薄い空燃比の混合気を燃焼させるため、理論空燃
比付近の混合気を燃焼させる従来型のエンジンと比較し
て、本来的に着火しにくいという事情がある。そこで、
現在、実用化されている筒内噴射ガソリンエンジンは、
燃料噴射系の改良やピストン形状の改良等により、点火
プラグの発火部周辺に濃いめの混合気(成層混合気)を
集めるようにすることで、着火性能を確保するようにし
ている。例えば、図7に示すように、燃料噴射弁18か
らの燃料噴射により生成された成層混合気がピストン2
0上面の凹部21の内周面に沿ってT1 →T2 →T3 の
順序で点火プラグ17の発火部に向けて案内され、T3
の時に点火プラグ17に火花放電を発生させて着火させ
るようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料噴
射時期、吸気バルブのタイミング、筒内の成層混合気の
流れ等のばらつきにより、点火プラグ17の発火部周辺
に燃焼可能な成層混合気の塊が到達するタイミングがば
らつくことがある。このため、図8(b)に示すよう
に、点火プラグ17で火花放電を発生する時に、点火プ
ラグ17の発火部周辺に燃焼可能な成層混合気が存在し
ないことがあり、これが失火を発生させる原因となって
いた。この対策として、放電時間の長い点火装置を使用
することが考えられるが、これでは、点火装置が大型化
・重量化してしまい、近年の重要な技術的課題である小
型化・軽量化・低コスト化の要求を満たすことができな
い。
【0004】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、筒内噴射ガソリンエ
ンジン用点火装置の着火性能(失火防止性能)を向上さ
せながら、小型化・軽量化・低コスト化を実現すること
にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1の筒内噴射ガソリンエンジン用点
火装置は、点火コイルの一次側のスイッチング素子のオ
ン/オフ動作を点火制御手段により制御する際に、該点
火制御手段は、点火時期に前記スイッチング素子をオフ
動作させて点火プラグに火花放電を発生させ後に該スイ
ッチング素子を繰り返しオン/オフさせて点火プラグを
多重放電させる。この多重放電により、放電は間欠的で
あるが、放電時間の長い大型の点火装置と同等の長い放
電時間を得ることができる。このため、点火プラグに燃
焼可能な成層混合気の塊が到達するタイミングが少しず
れたとしても、確実に着火させることができ、失火を防
止できる。しかも、多重放電は、スイッチング素子のオ
ン/オフを繰り返すだけで良いので、点火コイル等を大
型化せずに済み、小型化・軽量化・低コスト化の要求も
満たすことができる。
【0006】ところで、多重放電は、点火プラグの電極
消耗を増加させる原因になったり、点火装置の発熱を増
加させる原因となる。従って、多重放電は必要最小限に
することが好ましい。
【0007】この観点から、請求項2のように、エンジ
ン運転状態に基づいて多重放電が必要か否かを判断し、
必要と判断される時のみ、多重放電を実行するようにす
ると良い。つまり、エンジン運転状態によっては、点火
プラグに成層混合気が到達するタイミングのずれが少な
くなる領域が存在するため、その領域では、多重放電を
行わなくても、単発の放電で着火性能を確保できる。
【0008】具体的には、請求項3のように、エンジン
回転数が設定回転数以下の領域のみで多重放電を実行す
ることが好ましい。つまり、高回転領域では、点火間隔
が短く、点火プラグに成層混合気が到達するタイミング
のずれが少なくなるため、高回転領域では、多重放電を
行わなくても、着火性能を確保できる。しかも、高回転
領域では、点火装置の発熱量も多くなるため、多重放電
をやめることで、点火装置の過度の温度上昇を抑えるこ
とができると共に、点火プラグの電極消耗を少なくする
ことができる。
【0009】更に、請求項4のように、エンジン回転数
が高くなるほど、スイッチング素子のオン/オフ回数を
少なくするようにしても良い。つまり、エンジン回転数
が高くなるほど、点火プラグに成層混合気が到達するタ
イミングのずれが小さくなる傾向があるため、エンジン
回転数が高くなるほど、スイッチング素子のオン/オフ
回数を少なくすることで、余分な多重放電を行わずに済
み、点火プラグの電極消耗や点火装置の発熱を少なくで
きる。
【0010】ところで、筒内噴射ガソリンエンジンで
は、エンジン負荷が高くなると、成層混合気による成層
燃焼領域から濃い空燃比の均質混合気による均質燃焼領
域に切り換えられる。成層燃焼領域では、図8に示すよ
うに、成層混合気の塊が点火プラグに到達するタイミン
グのばらつきが問題になるが、均質燃焼領域では、燃焼
室内が均質な濃い混合気で満たされるため、混合気が点
火プラグに到達するタイミングのばらつきが問題となら
ない。従って、均質燃焼領域では、多重放電を行わなく
ても、単発の放電で十分に着火性能を確保できる。
【0011】この点に着目し、請求項5のように、エン
ジン負荷が設定値以下の領域のみで多重放電を実行する
ようにしても良い。このようにすれば、均質燃焼領域の
ように、単発の放電で着火性能を確保できる負荷領域で
は、多重放電を行わずに済み、点火プラグの電極消耗や
点火装置の発熱を少なくできる。
【0012】また、請求項6のように、多重放電を一定
クランク角の範囲で実行するようにしても良い。つま
り、エンジン回転数が高くなるほど、クランク軸が一定
クランク角を回転するのに要する時間が短くなるため、
多重放電を一定クランク角の範囲に限定すれば、エンジ
ン回転数が高くなるほど、多重放電回数を少なくするこ
とができ、余分な多重放電を行わずに済み、点火プラグ
の電極消耗や点火装置の発熱を少なくできる。
【0013】また、請求項7のように、多重放電を行う
場合は、点火時期にスイッチング素子をオフ動作させた
後、点火コイルに蓄積されたエネルギが残っている間
に、再度、該スイッチング素子をオン動作させるように
すると良い。このようにすれば、2回目以降の放電を行
う際に、短時間の一次電流の通電で、点火コイルに十分
な放電エネルギを蓄積することができ、複数回の放電を
短い時間間隔で発生させることができる。
【0014】尚、多重放電を行う場合は、請求項8のよ
うに、一点火時期に、複数回(2回以上)、放電させる
と良い。たとえ、一点火時期に、2回の放電であって
も、単発の放電と比較すれば、着火性能を向上すること
ができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態(1)を
図1乃至図3に基づいて説明する。筒内噴射ガソリンエ
ンジン11のシリンダヘッド12には、吸気ポート13
と排気ポート14が形成され、それぞれのポート13,
14に吸気バルブ15と排気バルブ16が設けられてい
る。吸気ポート13と排気ポート14との間には、点火
プラグ17が下向きに取り付けられている。また、吸気
ポート13の下側には、高圧スワール型の燃料噴射弁1
8が斜め下向きに取り付けられ、この燃料噴射弁18か
ら高圧で燃料(ガソリン)が燃焼室19内のピストン2
0の上面に向けて噴射される。ピストン20の上面には
凹部21が形成され、燃料噴射弁18からの燃料噴射流
が凹部21の内周面に沿って点火プラグ17の発火部に
向けて案内されるようになっている。
【0016】一方、点火プラグ17の中心電極には、点
火コイル22の二次コイル24で発生した高電圧が印加
される。点火プラグ17の一次コイル23の一端側に
は、バッテリ25が接続され、該一次コイル23の他端
側には、イグナイタ26に内蔵されたパワートランジス
タ27(スイッチング素子)のコレクタに接続されてい
る。エンジン運転中は、エンジン制御回路28からイグ
ナイタ26に送信される点火信号IGtの立ち上がり/
立ち下がりでパワートランジスタ27がオン/オフす
る。パワートランジスタ27がオンすると、図2に示す
ように、バッテリ25から点火コイル22の一次コイル
23に一次電流I1 が流れ、その後、パワートランジス
タ27がオフすると、一次コイル23の一次電流I1 が
遮断されて、二次コイル24に高電圧(二次電流I2 )
が誘導され、この高電圧によって点火プラグ17の電極
間に火花放電が発生する。
【0017】エンジン制御回路28は、マイクロコンピ
ュータを主体に構成され、所定クランク角毎にパルス信
号を出力するエンジン回転数センサ29、吸気管圧力セ
ンサ、水温センサ(いずれも図示せず)等、エンジン運
転状態を検出する各種センサの出力に基づいて燃料噴射
量とその噴射時期を演算すると共に、点火時期を演算す
る。更に、このエンジン制御回路28は、内蔵するRO
M(記憶媒体)に記憶された図3の多重放電制御プログ
ラムを実行することで、エンジン回転数が設定回転数以
下の時に、通常の一次電流I1 の遮断動作後(パワート
ランジスタ27のオフ後)に、図2に示すように、パワ
ートランジスタ27を一定周期で繰り返しオン/オフさ
せて点火プラグ17を多重放電させ、放電を連続的に発
生させる。以下、図3の多重放電制御プログラムの処理
の流れを説明する。
【0018】図3の多重放電制御プログラムは、点火時
期毎に起動され、特許請求の範囲でいう点火制御手段と
しての役割を果たす。本プログラムが起動されると、ま
ずステップ101で、エンジン回転数センサ29の出力
パルスの発生周波数から算出したエンジン回転数を読み
込んだ後、ステップ102で、エンジン回転数が予め設
定された設定回転数以下であるか否か(つまり多重放電
が必要な低回転・中回転領域であるか否か)を判定し、
エンジン回転数が設定回転数より高い高回転領域である
場合には、ステップ103に進み、通常の一次電流I1
の遮断動作後(パワートランジスタ27のオフ後)にパ
ワートランジスタ27をオフ状態に維持し、多重放電を
行わない。
【0019】これに対し、エンジン回転数が設定回転数
以下(低回転・中回転領域)の場合には、ステップ10
2からステップ104に進み、通常の一次電流I1 の遮
断動作後(パワートランジスタ27のオフ後)に、図2
に示すように、パワートランジスタ27を一定周期で繰
り返しオン/オフさせて点火プラグ17を多重放電さ
せ、放電を繰り返し発生させる。そして、この多重放電
(パワートランジスタ27のオン/オフ)を、クランク
軸の回転角が予め設定された一定クランク角になるまで
実行し(ステップ105)、一定クランク角になった時
点で、パワートランジスタ27のオン/オフを停止して
多重放電を停止する。尚、クランク軸の回転角が予め設
定された一定クランク角になったか否かは、エンジン回
転数センサ29の出力パルスに基づいて判定される。
【0020】また、多重放電を行う場合は、点火時期に
パワートランジスタ27をオフ動作させた後、点火コイ
ル22に蓄積されたエネルギが残っている間に、再度、
該パワートランジスタ27をオン動作させるようにす
る。これにより、2回目以降の放電を行う際に、短時間
の一次電流の通電で、点火コイル22に十分な放電エネ
ルギを蓄積することができ、複数回の放電を短い時間間
隔で発生させることができる。
【0021】以上のようにして、多重放電を行うこと
で、放電は間欠的ではあるが、放電時間の長い大型の点
火装置と同等の長い放電時間を得ることができるため、
図8(a)に示すように、点火プラグ17に濃いめの混
合気(成層混合気)が到達するタイミングが少しずれた
としても、確実に着火させることができ、失火を防止で
きる。しかも、多重放電は、パワートランジスタ27の
オン/オフを繰り返すだけで良いので、点火コイル22
等を大型化せずに済み、小型化・軽量化・低コスト化の
要求も満たすことができる。
【0022】また、高回転領域では、点火間隔が短く、
点火プラグ17に成層混合気が到達するタイミングのず
れが少なくなるという事情を考慮し、高回転領域では、
多重放電を中止するようにしたので、点火コイル22や
イグナイタ26の過度の温度上昇を抑えることができ
て、それらの部品の過昇温による特性劣化を防ぐことが
できると共に、点火プラグ17の電極消耗を少なくする
ことができ、寿命を長くすることができる。
【0023】更に、エンジン回転数が高くなるほど、点
火プラグ17に成層混合気が到達するタイミングのずれ
が小さくなることを考慮し、多重放電を一定クランク角
の範囲で実行するようにしたので、エンジン回転数が高
くなるほど、多重放電回数を少なくすることができ、余
分な多重放電を行わずに済み、点火プラグ17の電極消
耗や点火装置の発熱を少なくできる。
【0024】但し、本発明は、多重放電を一定クランク
角の範囲で実行する構成に限定されず、例えば、図4に
示す本発明の実施形態(2)のようにしても良い。この
実施形態(2)で用いる多重放電制御プログラムは、上
記実施形態(1)と同じく、エンジン回転数が設定回転
数より高い高回転領域である場合には、放電は1回のみ
とし、多重放電を行わない(ステップ201〜20
3)。
【0025】これに対し、エンジン回転数が設定回転数
以下(低回転・中回転領域)の場合には、ステップ20
4に進み、エンジン回転数に応じてパワートランジスタ
27のオン/オフ回数(放電回数)を予め設定されたマ
ップ等により設定する。この際、エンジン回転数が高く
なるほど、パワートランジスタ27のオン/オフ回数を
少ない回数に設定する。この後、ステップ205で、通
常の一次電流I1 の遮断動作後(パワートランジスタ2
7のオフ後)に、図2に示すように、パワートランジス
タ27を一定周期で繰り返しオン/オフさせて点火プラ
グ17を多重放電させ、放電を繰り返し発生させる。そ
して、この多重放電を、パワートランジスタ27のオン
/オフ回数が上記ステップ204で設定した設定回数に
なるまで実行し(ステップ205)、設定回数になった
時点で、パワートランジスタ27のオン/オフを停止し
て多重放電を停止する。
【0026】以上のように制御する実施形態(2)にお
いても、エンジン回転数が高くなるほど、パワートラン
ジスタ27のオン/オフ回数を少なくすることで、多重
放電回数を少なくすることができ、余分な多重放電を行
わずに済み、点火プラグ17の電極消耗や点火装置の発
熱を少なくできる。
【0027】尚、上記実施形態(1),(2)では、い
ずれも、高回転領域で多重放電を中止するようにした
が、高回転領域でも若干の多重放電を行うようにしても
良く、この場合でも、電極消耗の少ない点火プラグの使
用や、耐熱性(放熱性)を向上させた点火装置を使用す
れば、実用的な耐用年数を確保できる。
【0028】また、上記実施形態(1),(2)では、
いずれも、パワートランジスタ27のオン/オフ回数
(多重放電回数)をエンジン回転数に応じて設定するよ
うにしたが、吸気管圧力(又は吸入空気量)、スロット
ル開度、燃料噴射量、冷却水温、吸気温等のエンジン運
転条件(特に燃焼性に影響を及ぼす運転条件)もエンジ
ン回転数と共に考慮して、パワートランジスタ27のオ
ン/オフ回数を設定するようにしても良い。
【0029】また、上記実施形態(1),(2)では、
多重放電を実施する運転領域(多重放電領域)をエンジ
ン回転数のみで設定したが、エンジン回転数の他に、エ
ンジン負荷(吸気管圧力)、吸入空気量、スロットル開
度、燃料噴射量、冷却水温、吸気温等のエンジン運転条
件(特に燃焼性に影響を及ぼす運転条件)のいずれか1
つ以上のパラメータに基づいて多重放電領域を設定する
ようにしても良い。
【0030】例えば、図5及び図6に示す本発明の実施
形態(3)では、多重放電領域を設定するエンジン運転
状態のパラメータとして、エンジン回転数Neとエンジ
ン負荷(吸気管圧力Pm)を用い、図6に示すように、
エンジン回転数Neとエンジン負荷が共に所定以下の領
域のみで多重放電を実施するようにしている。
【0031】この制御は、図5に示す多重放電制御プロ
グラムによって実行される。本プログラムが起動される
と、まずステップ301で、現在のエンジン運転状態、
例えばエンジン回転数Neとエンジン負荷(吸気管圧力
Pm)を読み込み、次のステップ302で、現在のエン
ジン運転状態が多重放電領域であるか否かを判定する。
本実施形態(3)では、図6に概念的に示す、エンジン
回転数Neとエンジン負荷とをパラメータとする放電領
域マップを参照し、現在のエンジン回転数Neとエンジ
ン負荷が共に所定以下の領域であるか否かで多重放電領
域か否かを判定する。
【0032】このステップ302で、多重放電領域と判
定された場合のみ、多重放電を実行し(ステップ30
4)、単発放電領域と判定されれば、放電は1回のみと
し、多重放電を行わない(ステップ303)。
【0033】多重放電を実行する場合は、ステップ30
5で、放電回数が所定回数になったか否かを判断し、放
電回数が所定回数になるまで、多重放電を続行する。こ
こで、所定回数は2回又はそれ以上の回数に設定され、
固定値でも良いが、エンジン運転状態(例えばエンジン
回転数Ne,エンジン負荷Pm)に応じて切り換えるよ
うにしても良い。たとえ、一点火時期に、2回の放電で
あっても、単発の放電と比較すれば、着火性能を向上す
ることができる。
【0034】尚、本実施形態(3)では、多重放電領域
をエンジン回転数Neとエンジン負荷とを用いて設定し
たが、エンジン負荷のみで多重放電領域を設定しても良
い。つまり、筒内噴射ガソリンエンジン11では、エン
ジン負荷が高くなると、成層混合気による成層燃焼領域
から濃い空燃比の均質混合気による均質燃焼領域に切り
換えられ、均質燃焼領域では、燃焼室19内が均質な濃
い混合気で満たされるため、混合気が点火プラグ17に
到達するタイミングのばらつきが問題とならない。従っ
て、均質燃焼領域のように、単発の放電で着火性能を確
保できる負荷領域では、多重放電を行わず、それ以下の
負荷領域のみで、多重放電を行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態(1)を示すシステム全体の
概略構成図
【図2】点火信号IGt(パワートランジスタのオン/
オフ)と一次電流I1 、二次電流I2 の挙動を示すタイ
ムチャート
【図3】実施形態(1)の多重放電制御プログラムの処
理の流れを示すフローチャート
【図4】実施形態(2)の多重放電制御プログラムの処
理の流れを示すフローチャート
【図5】実施形態(3)の多重放電制御プログラムの処
理の流れを示すフローチャート
【図6】多重放電を実施する領域を設定するマップを概
念的に示す図
【図7】燃焼室内の成層混合気の流れを説明する燃焼室
部分の縦断面図
【図8】(a)は本発明の実施形態における多重放電と
成層混合気の点火プラグへの到達時期のばらつきとの関
係を説明する図、(b)は従来の単発の放電と成層混合
気の点火プラグへの到達時期のばらつきとの関係を説明
する図
【符号の説明】
11…筒内噴射ガソリンエンジン、13…吸気ポート、
14…排気ポート、15…吸気バルブ、16…排気バル
ブ、17…点火プラグ、18…燃料噴射弁、19…燃焼
室、20…ピストン、22…点火コイル、23…一次コ
イル、24…二次コイル、25…バッテリ、26…イグ
ナイタ、27…パワートランジスタ27(スイッチング
素子)、28…エンジン制御回路(点火制御手段)、2
9…エンジン回転数センサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茂木 和久 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 筒内噴射ガソリンエンジンに取り付けら
    れた点火プラグと、点火時期に前記点火プラグに高電圧
    を印加して火花放電を発生させる点火コイルと、この点
    火コイルの一次電流をオン/オフするスイッチング素子
    と、このスイッチング素子のオン/オフ動作を制御する
    点火制御手段とを備えた筒内噴射ガソリンエンジン用点
    火装置において、 前記点火制御手段は、点火時期に前記スイッチング素子
    をオフ動作させた後に該スイッチング素子を繰り返しオ
    ン/オフさせて前記点火プラグを多重放電させることを
    特徴とする筒内噴射ガソリンエンジン用点火装置。
  2. 【請求項2】 前記点火制御手段は、エンジン運転状態
    に基づいて多重放電を実行するか否かを判定することを
    特徴とする請求項1に記載の筒内噴射ガソリンエンジン
    用点火装置。
  3. 【請求項3】 前記点火制御手段は、エンジン回転数が
    設定回転数以下の領域のみで多重放電を実行することを
    特徴とする請求項2に記載の筒内噴射ガソリンエンジン
    用点火装置。
  4. 【請求項4】 前記点火制御手段は、エンジン回転数が
    高くなるほど、前記スイッチング素子のオン/オフ回数
    を少なくすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれ
    かに記載の筒内噴射ガソリンエンジン用点火装置。
  5. 【請求項5】 前記点火制御手段は、エンジン負荷が設
    定値以下の領域のみで多重放電を実行することを特徴と
    する請求項2乃至4のいずれかに記載の筒内噴射ガソリ
    ンエンジン用点火装置。
  6. 【請求項6】 前記点火制御手段は、多重放電を一定ク
    ランク角の範囲で実行することを特徴とする請求項1乃
    至5のいずれかに記載の筒内噴射ガソリンエンジン用点
    火装置。
  7. 【請求項7】 前記点火制御手段は、点火時期に前記ス
    イッチング素子をオフ動作させた後、前記点火コイルに
    蓄積されたエネルギが残っている間に、再度該スイッチ
    ング素子をオン動作させることを特徴とする請求項1乃
    至6のいずれかに記載の筒内噴射ガソリンエンジン用点
    火装置。
  8. 【請求項8】 筒内噴射ガソリンエンジンに取り付けら
    れた点火プラグと、 前記点火プラグに高電圧を印加して火花放電を発生させ
    る点火コイルと、 点火時期に前記点火コイルに高電圧を発生させる点火制
    御手段とを備えた筒内噴射ガソリンエンジン用点火装置
    において、 前記点火制御手段は、一点火時期に、複数回、前記点火
    コイルに高電圧を発生させることを特徴とする筒内噴射
    ガソリンエンジン用点火装置。
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