JP2014181560A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い放電電流の火花放電を安価、かつ簡素な方法で実現し、内燃機関の燃焼性を向上させる点火装置を得る。
【解決手段】間隙を介して対向する高圧電極１０１ａと外側電極１０１ｂとを有し、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１０１と、所定の高電圧を発生し、前記高電圧を高圧電極１０１ａ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１０２と、バンドパスフィルタを有し、前記火花放電の経路に交流電流を供給する高周波電源１０３と、高周波電源１０３の動作時期を制御する制御装置１０４とを備え、前記バンドパスフィルタは、１ＭＨｚから４ＭＨｚの周波数を通過させる。
【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。そ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、あるいは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、内燃機関（以下、エンジンともいう。）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。その理由の一つに、点火プラグの高圧電極とＧＮＤ電極の間（ギャップ）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、絶縁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、点火プラグのギャップ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、点火プラグのギャップを狭めると、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点に課題が生じてしまう。

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か、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、従来、例えば特開２０１１−０９９４１０号公報（特許文献１）に開示されている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ギャップ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により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

前記特許文献１に開示された従来の点火装置は、高耐圧のダイオードを含んでいる。現在、高耐圧ダイオードは鉛半田を用いた積層構造により製造され、小型化しているが、近年の鉛フリー化の観点でこの採用が困難になっている。鉛フリーとした場合には物理的な絶縁距離の確保が必要となるため、小型化が困難、かつ、製造コストが非常に高くなってしまう問題がある。また、１０ＭＨｚ以上の高周波交流電流を点火プラグの電極間に流し込むことも考えられるが、高周波、かつ大電流のスイッチングができ、信頼性を確保できるデバイスは非常に高価であって、こちらも製造コストが非常に高くなってしまう問題が発生する。

この発明は、従来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、安価、かつ簡素な構成で、消炎作用等を相殺できる効果を得ることができる点火装置の提供を目的とするものである。

この発明による点火装置は、間隙を介して対向する第１の電極と第２の電極とを有し、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、所定の高電圧を発生し、前記高電圧を前記第１の電極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火花放電経路生成装置と、バンドパスフィルタを有し、前記火花放電の経路に交流電流を供給する電流供給装置と、前記電流供給装置の動作時期を制御する制御装置と、を備え、前記バンドパスフィルタは、１ＭＨｚから４ＭＨｚの周波数を通過させるものである。

この発明による点火装置によれば、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。

この発明の実施の形態１による点火装置の構成図である。 この発明の実施の形態１による点火装置のタイミングチャートである。

以下、この発明による点火装置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、この発明による点火装置は、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、火花放電経路に大きな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装置である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による点火装置の構成図である。図１に於いて、点火装置１００は、内燃機関の燃焼室内の可燃混合気を火花放電の発生により点火させる点火プラグ１０１と、火花放電経路を形成するために点火プラグ１０１に所定の高電圧を印加する火花放電経路生成装置としての点火コイル装置１０２と、前記火花放電経路に大きな放電プラズマを形成するための交流電流を供給する電流供給装置としての高周波電源１０３と、高周波電源１０３の動作時期を制御する制御装置１０４とを備えている。また、制御装置１０４は、点火コイル装置１０２の動作も制御する。

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１０５を介して磁気的に結合された１次コイル１０６と２次コイル１０７、１次コイル１０６の通電を制御するスイッチング素子１０８とスイッチング素子１０８を駆動するドライバ装置１０９、点火プラグ１０１の主プラグギャップで絶縁破壊を引起す際に発生する容量電流系のノイズを抑制する抵抗装置１１０を備えている。

２次コイル１０７の一端は、抵抗装置１１０を介して点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続されており、後述するコンデンサ１１１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。なお、抵抗装置１１０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１０７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１１１の一端も直接、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａに接続される。

スイッチング素子１０８、ドライバ装置１０９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１０２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。

高周波電源１０３は、前記主プラグギャップに形成される火花放電経路に、大きな放電プラズマを形成するために供給する交流電流を通し、点火コイル装置１０２の２次コイル１０７で発生する直流的な高電圧が、高周波電源１０３内のスイッチング回路１１２に印加されないようにブロックするバンドパスフィルタを構成するコンデンサ１１１と、インダクタ１１３とを備えている。

前記バンドパスフィルタの周波数は１ＭＨｚから４ＭＨｚとする。大きな放電プラズマを効率良く形成するためには、主プラグギャップ間に陽イオンをトラップできる周波数帯で印加電圧を正負に切替えることが必要と考えられ、従って、主プラグギャップの間隔を１ｍｍ程度とすると１ＭＨｚ以上の周波数が必要となる。

また、信頼性が高く安価な汎用スイッチングデバイスでは４ＭＨｚ付近が動作の限界である。従って、前記バンドパスフィルタの周波数を１ＭＨｚから４ＭＨｚとすることで、信頼性が高く安価な汎用スイッチングデバイスを利用して、大きな放電プラズマを効率良く生成できるようになる。

前記バンドパスフィルタを構成するコンデンサ１１１の容量値は４０ピコファラドから２００ピコファラドのものを選定すると良い。このコンデンサ１１１は点火コイル装置１０２の出力である誘導電流により充電される対象となるので、この容量値を大きくし過ぎると、前記誘導電流により、前記主プラグギャップ間の絶縁破壊電圧まで充電できず、火花放電経路を形成できなくなってしまうことがある。

現在市販されている標準的な点火コイル装置１０２との組合せで、主プラグギャップ間の絶縁破壊電圧まで充電できるコンデンサ１１１の容量は、２００ピコファラドが限界と考えられる。容量値が小さくなると、交流電流を通しにくくなる。燃焼性向上の効果を得る事ができる程度の大きな放電プラズマを形成するためには、ピーク値で１アンペア以上の電流が必要であることが実験的に判っている。汎用コネクタの耐電圧は１０００Ｖ程度なので、高周波電源装置１０３の出力も１０００Ｖとすると、４ＭＨｚで１アンペア供給するためには４０ピコファラド以上の容量が必要となる。従って、コンデンサ１１１の容量値は４０ピコファラドから２００ピコファラドのものを選定すると良く、この容量値のものであれば比較的小型で安価なものが入手可能である。

前記バンドパスフィルタの周波数と、前記コンデンサ１１１の容量値から、前記バンドパスフィルタを構成するインダクタ１１３のインダクタンス値は概ね４０マイクロヘンリーから１２０マイクロヘンリー程度と決まる。装置の小型化や低コスト化、発熱抑制の観点では、なるべくインダクタンス値を小さくするほうが良いが、実際には使用するアプリケーションに応じて、前記コンデンサ値との兼ね合いで決定される。

前述のような定数の組合せであれば、汎用の素子での構成が可能となり、安価かつ効率の良い装置を実現できる。

次に、実施の形態１による点火装置の具体的な動作について説明する。図２は、実施の形態１による点火装置の各部の信号を時系列に示すタイミングチャートである。

図２における信号Ａは、図１の経路Ａの矢印方向を正とした信号であって、制御装置１０４が出力し、点火コイル装置１０２を駆動するための電圧信号である。図２における信号Ｂは、図１の経路Ｂの矢印方向を正とした信号であって、点火コイル装置１０２の出力電流を示す電流信号である。図２における信号Ｃは、図１の経路Ｃの矢印方向を正とした信号であって、制御装置１０４が出力し、高周波電源１０３中のスイッチング回路１１２を動作させる期間を示す電圧信号である。

また、図２における信号ＤＨは、図１の経路ＤＨの矢印方向を正とした信号であって、高周波電源１０３内、ハーフブリッジで構成されるスイッチング回路１１２のＨＩＧＨ側スイッチング素子のゲートを駆動するための電圧信号である。図２における信号ＤＬは、図１の経路ＤＬの矢印方向を正とした信号であって、高周波電源１０３内、ハーフブリッジで構成されるスイッチング回路１１２のＬＯＷ側スイッチング素子のゲートを駆動するための電圧信号である。図２における信号Ｅは、図１の経路Ｅの矢印方向を正とした信号であって、高周波電源１０３の出力電流を示す電流信号である。図２における信号Ｆは、図１の経路Ｆの矢印方向を正とした信号であって、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａ、外側電極１０１ｂ間の前記主プラグギャップに形成される火花放電経路に流れる放電電流を示す電流信号である。

図２のタイミングＴ０において、信号Ａは既にＨＩＧＨとなっているので、点火コイル装置１０２内のスイッチング素子１１２はＯＮの状態、１次コイル１０６は通電状態であり、コア１０５に磁束エネルギーが蓄積されつつある。

タイミングＴ１において、信号ＡをＬＯＷに切替えると、点火コイル装置１０２内のスイッチング素子１０８により１次コイル１０６の通電は遮断される。そして、コア１０５に蓄積された磁束エネルギーが解放され、２次コイル１０７に誘導電圧が発生し、図２Ｂに示す誘導電流が経路Ｂに流れ始めると共に、点火プラグ１０１が潜在的に備えている対地間容量、および高周波電源１０３内のコンデンサ１１１の充電が開始される。

タイミングＴ２において、点火プラグ１０１の対地間容量、およびコンデンサ１１１の充電電圧が、点火プラグ１０１の高圧電極１０１ａ、外側電極１０１ｂ間（主プラグギャップ）の絶縁破壊電圧に達すると、主プラグギャップ間で絶縁破壊が起こり、火花放電経路が形成されると共に、前記容量に蓄積された電荷の放出による電流、いわゆる容量電流２０１が前記火花放電経路に流れ込む。

容量電流２０１が流れている間、図１中のＧ点の電位はまだ高いので、高周波電源１０３から主プラグギャップ間の放電経路に安定して電流を供給することは難しい。従って、容量電流がおさまった頃から交流電流を注入するように、制御装置１０４は信号ＣをタイミングＴ３でＨＩＧＨに切替え、スイッチング回路１１２の動作を許可する。

前記タイミングＴ１からタイミングＴ３までの間隔は運転状況に応じて決まるマップ値や計算値にしておくと良い。その理由は、エンジン回転数や、負荷、温度の状態が変化すると、前記主プラグギャップ間の絶縁破壊電圧も変化し、応じてタイミングＴ２が変化するためである。例えば７００回転／分程度のアイドリング状態ではタイミングＴ１からタイミングＴ３までの間隔を５０マイクロ秒とし、４０００回転／分程度の全開負荷状態ではタイミングＴ１からタイミングＴ３までの間隔を１００マイクロ秒とする。またエンジン冷却水温が８０℃を超えたら一律で１０マイクロ秒を差し引くようにする。

スイッチング回路１１２は、信号Ｃによりその動作が許可されると、主プラグギャップに形成される火花放電経路に向かって交流電流を送り込むように、スイッチング動作を開始する。本実施の形態１においては、スイッチング回路１１２をハーフブリッジの構成とし、その後段にインダクタ１１３、コンデンサ１１１で構成されるバンドパスフィルタを配置している。従って、このバンドパスフィルタの周期に合わせて、信号ＤＨ、信号ＤＬを図２に示すように、ハーフブリッジのＨＩＧＨ側スイッチ、ＬＯＷ側スイッチが交互にＯＮ／ＯＦＦとなるようにスイッチングを繰り返す。このとき、高周波電源１０３の出力電流は、図２の信号Ｅにようになる。

よって、主プラグギャップに形成された火花放電経路には、点火コイル装置１０２の出力電流（５０ｍＡから３００ｍＡ程度）である信号Ｂと高周波電源１０３の出力電流（２Ａから１０Ａ程度）である信号Ｅとを足し合わせた、信号Ｆに示す電流が流れることになる。

制御装置１０４は、タイミングＴ４に於いて信号ＣをＬＯＷへと切替え、スイッチング回路１１２の動作を停止させる。スイッチング回路１１２の動作が止まり、主プラグギャップ間の火花放電経路への大きな交流電流の供給が止まる。

上記タイミングＴ３からタイミングＴ４、あるいは投入する交流電流のレベルは、運転条件や放電状態等に依存して設定されるマップ値や計算値としておくと良い。例えば、エンジン冷却水温が８０℃未満でエンジン回転数が１０００回転／分以下では、５Ａピークの交流放電を５００マイクロ秒区間投入、回転数が３０００回転／分を上回った時点で５Ａピークの交流放電を３００マイクロ秒区間投入、４０００回転／分を上回れば３Ａピークの交流放電を３００マイクロ秒区間投入のようにする。エンジン冷却水温が８０℃を超えたらタイミングＴ３からタイミングＴ４の間隔を一律で１００マイクロ秒を差し引くようにする。

以上説明したように、実施の形態１による点火装置によれば、安価かつ簡素な構成で効率良く大きな放電プラズマを形成し、狭小ギャップ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。

以上、実施の形態１による点火装置について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。そして、この発明による点火装置は、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、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。

１００ 点火装置、１０１ 点火プラグ、１０１ａ 高圧電極、１０１ｂ 外側電極、１０２ 点火コイル装置、１０３ 高周波電源、１０４ 制御装置、１０５ コア、１０６ １次コイル、１０７ ２次コイル、１０８ スイッチング素子、１０９ ドライバ装置、１１０ 抵抗装置、１１１ コンデンサ、１１２ スイッチング回路、１１３ インダクタ、２０１ 容量電流。

この発明は、従来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、安価、かつ簡素な構成で、消炎作用等を相殺できる点火装置の提供を目的とするものである。

この発明による点火装置は、間隙を介して対向する第１の電極と第２の電極とを有し、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、所定の高電圧を発生し、前記高電圧を前記第１の電極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火花放電経路生成装置と、インダクタとコンデンサを含んで構成されると共に、１ＭＨｚから４ＭＨｚの周波数を通過させるバンドパスフィルタを有し、前記火花放電の経路に交流電流を供給する電流供給装置と、前記電流供給装置の動作時期を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置により制御される前記電流供給装置の動作時期は、前記火花放電経路生成装置により生成される誘導電流に基づく前記点火プラグの対地間容量および前記コンデンサの充電電圧が、前記間隙の絶縁破壊電圧に達することにより流れる容量電流の流れ終えた時点以降であることを特徴とするものである。

Claims (4)

1. 間隙を介して対向する第１の電極と第２の電極とを有し、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、
   所定の高電圧を発生し、前記高電圧を前記第１の電極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火花放電経路生成装置と、
   バンドパスフィルタを有し、前記火花放電の経路に交流電流を供給する電流供給装置と、
   前記電流供給装置の動作時期を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記バンドパスフィルタは、１ＭＨｚから４ＭＨｚの周波数を通過させることを特徴とする点火装置。
2. 前記バンドパスフィルタは、インダクタとコンデンサとを備え、
   前記インダクタは、４０マイクロヘンリーから１２０マイクロヘンリーのインダクタンス値を有することを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
3. 前記バンドパスフィルタは、インダクタとコンデンサとを備え、前記コンデンサは、４０ピコファラドから２００ピコファラドの容量値を有することを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
4. 前記バンドパスフィルタは、インダクタとコンデンサとを備え、
   前記インダクタは、４０マイクロヘンリーから１２０マイクロヘンリーのインダクタンス値を有すると共に、前記コンデンサは、４０ピコファラドから２００ピコファラドの容量値を有することを特徴とする請求項１に記載の点火装置。

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