JPS599102Y2 - 内燃機関のプラズマ点火装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、自動車等の内燃機関のプラズマ点火装置に係
り、さらに詳述すれば、点火栓の正負電極間の点火間隙
の周囲を電気絶縁材で囲んで放電空間を形或し、スパー
ク点火用電源とプラズマ点火用電源を有し、点火時期に
スパーク点火用電源により電極間に火花を飛ばし、プラ
ズマ点火用電源で充電されたコンデンサを上記火花に応
じて放電させてプラズマ点火を行なうプラズマ点火装置
の改良に関する。

プラズマ点火装置は、自動車等の内燃機関の低負荷運転
域や稀薄混合気燃焼など燃焼が不安定となりがちな運転
条件において、確実な着火と燃焼の安定性を向上させる
ためのもので、その場合に使用する点火栓の一例として
第１図に６としてその断面図を示すものが従来提案され
ている。

この点火栓６は、中心電極１と側方電極２との間の点火
間隙の周囲を、セラミックス等の電気絶縁材３で包囲し
て小さな容積の放電空間４を形或する構造となっている
。

この点火栓６は、スパーク点火用電源とプラズマ点火用
電源の両方から点火エネルギを供給され、スパーク放電
時に放電空間４内に発生するプラズマ状ガスを噴孔５か
ら噴出させて混合気を着火燃焼させる。

この点火栓６は、スパーク放電によってのみ混合気に点
火する通常の点火栓と異なり、まず中心電極１と側方電
極２との間にスパーク点火用電源の点火コイルからの高
電圧（１０ ＫＶ〜２０ ＫＶ）にもとづくスパークを
起こさせ、この時に放電空間４の内部で絶縁が破壊され
るのを利用して、比較的低電圧（例えば−３０００Ｖ）
のプラズマ点火用電源で充電されたコンテ゛ンサ１２を
放電させることで電極間にエネルギを供給し、これによ
り得られる高温高エネルギのプラズマ状ガスの熱膨脹に
もとづき、高温高圧ガスを噴孔５から噴出させて混合気
を確実に着火燃焼させるものである。

第１図において７はバツテリ電源、８は点火コイル、９
は機関回転に同期して開閉するコンタクトポイント、１
０は内蔵するトランジスタをコンタクトポイント９の開
閉に応じてオンオフさせて点火コイル８の二次側に高電
圧を発生させる回路、１１はプラズマ点火用電源、１２
はプラズマ点火用電源１１により充電されその放電エネ
ルギを点火栓６に供給するコンデンサ、１３は波形整形
用のコイル、１４及び１５はそれぞれ逆流阻止用のダイ
オードである。

このようにスパーク点火とプラズマ点火とを併用するこ
とにより、失火などを起こしやすい低負荷運転時でも安
定した燃焼を実現することができるが、反面、点火エネ
ルギが高いことがら中心電極．１の摩耗が激しく、場合
によっては溶損などの危険もあり、特に、機関の高回転
高負荷領域で高エネルギ点火を続けると消費電力が非常
に大きくなり、バツテリやオルタネータの容量さらには
プラズマ点火用電源やコンデンサの容量を大型化しなけ
ればならないなどの不都合が生じる。

これに対処して、従来、第２図の特性曲線ａに示すよう
に１点火当りの供給エネルギを機関の高回転領域では減
少させる方式が提案されている。

実際には電源１１からコンテ゛ンサ１２への充電時間が
あるので単純な線にはならないが説明上第２図のような
もので示す。

即ち、機関の高回転高負荷領域では一般に機関は高温に
なっており、燃焼も安定しているので必要とする１点火
当りのエネルギ量は低回転領域に比較して少ない。

この理由から、第２図の特性曲線ａのように、例えば機
関回転数が２４０Ｏ ｒｐｍまでは１点火当りの供給エ
ネルギ量を一定に保つが、それ以上の高回転領域では１
点火当りの供給エネルギ量を回転数に反比例するように
制御して前記不都合を除去しようとするのである。

しかし、この第２図ａの特性による従来の供給エネルギ
制御方式を採用しても、なお、次のような不都合を生じ
る。

即ち、必要な１点火当りのエネルギ量は機関温度により
大きく変化するのに対し、第２図ａの制御方式は、機関
温度とは無関係となっている点である。

これは、機関温度例えばラジエータ水温はラジエー夕に
設けたサーモスタットによりほぼ一定温度に制御されて
いるので機関温度を加味した供給エネルギ制御方式とし
ても無意味と考えられていたからである。

しがし、実際には機関温度に対し、必要な１点火当りの
エネルギ量は大きく変化し、特に雰囲気温度が低くラジ
エータ水温の設定値（約８０゜Ｃ）との差が大きい機関
始動時や低温からの暖機運転時に必要とする１点火当り
のエネルギ量は機関温度に大きく影響される。

低温始動時等に機関温度に見合った適正な点火エネルギ
量を供給することができないと、始動不良を起こしたり
暖機時間が長くなったりして、点火エネルギの積算電力
が大きくなり、さらに燃費性能が悪化する等の問題点が
生じる。

本考案は、このような従来の問題点，に着目してなされ
たもので、機関温度を検出し検出温度に見合った点火エ
ネルギを供給する構或とすることで上記問題点を解決す
ることを可能としたプラズマ点火装置を提供することを
目的としている。

本考案の特徴は、上記目的を達或するために、機関温度
を検出し機関温度に逆比例する信号を出力する温度検出
手段を設け、この温度検出手段からの出力信号に比例し
た電力をコンデンサに充電用電力として供給するプラズ
マ点火用電源とする構或とするにある。

即ち、第２図の１点火当りのエネルギを表わす特性曲線
において、従来は機関雰囲気温度には無関係に特性曲線
ａを採用していたのに対し、雰囲気温度がｔ， ｔ’，
ｔ” （ｔ＞ｔ’＞ｔ″）と変化するのに応じて１点
火当りのエネルギ曲線をａ， ｌ）， ｃとなるよ
うに変化させる構戒としようとするものである。

これは、ある特定の回転数で１点火当りのエネルギが雰
囲気温度ｔ ， ｔ’， ｔ″に反比例する量Ｅ， Ｅ
’， Ｅ“となるように制御することに相当する。

本考案の一実施例を第３図、第４図により説明する。

第３図は実施例回路図、第４図はその動作説明用の各部
信号タイムチャートである。

第３図において、１１， １２． １５はそれぞれ第１
図の場合と同じプラズマ点火用電源、コンデンサ及びダ
イオードを示している。

プラズマ点火用電源１１は次のように構或される。

３１はデ゛ユーテイ比がほぼ５０対５０のパルス出力Ｑ
，Ｑ’を出力する非安定マルチバイブレータである。

Ｑ′はＱの反転信号である。

３２， ３３はパルス信号Ｑ，Ｑ’の立ち上がりまたは
立ち下がりによってトリガされて非安定マルチバイブレ
ータ３１の周期の矧よりは短かい時間のパルス信号を出
力する単安定マルチバイブレータ（タイマ）回路である
。

この単安定マルチバイブレータ回路３２． ３３は、外
部端子と接地端子間に接続する外部抵抗の抵抗値を調節
することにより出力パルス信号の信号幅（つまりタイマ
の時間）が可変となっている。

３４． ３５は単安定マルチバイブレータ回路３２．
３３の出力で駆動されるパワートランジスタで、プラズ
マ点火エネルギを充分まかなうことができるだけの電力
をトランス３６の一次側に供給できる容量のもので、プ
ッシュプル回路構或となっている。

また非安定マルチバイブレーク３１の発振周波数例えば
１０ＫＨｚのパルスをオン、オフできる周波数特性を備
えているものが使用される。

トランス３６の一次側の中点は第１図のバツテリ電源７
の正極側に接続される。

さらにトランス３６としては、二次側電圧に−３０００
Ｖの高圧が得られ、所定の電力変換が可能で、変換損
失の少ないものが選ばれる。

トランス３６の二次側電圧が整流器３７で整流されてプ
ラズマ点火用のコンデンサ１２に充電される。

１６は機関水温に逆比例する電気抵抗値を示す感温抵抗
素子、例えばサーミスタであり、単安定マルチバイブレ
ー夕回路３２． ３３の各外部端子とバッテリ電源７の
正極側との間に配置され出力パルス信号の信号幅を変え
るものである。

第４図のタイムチャートを用いて第３図の動作を説明す
る。

非安定マルチバイブレータ３１の出力ａ， ｌ）は第
４図タイムチャートに示すように一定周期のパルスとな
り、互いに反転した信号になっている。

単安定マルチバイブレー夕回路３２． ３３はそれぞれ
人カパルスの立ち下がりでトリガされ、機関水温に逆比
例した抵抗値を示すサーミスタ１６の抵抗値で決定され
る時間幅を持つパルス波信号ｃ， ｄを出力してトラン
ジスタ３４． ３５を駆動する。

従ってトランジスタ３４， ３５の電流は信号Ｃ，ｄと
同相に流れトランス３６の一次側に電力を供給する。

さらにその電流時間幅は、機関水温を検出したサーミス
タ１６の抵抗値で変調されたものになる。

トランス３６の一次側に供給される電力は第４図タイム
チャートのｃ， ｄの斜線を施された面積の積算とな
る。

トランス３６により昇圧された電圧は整流器３７により
整流された後コンテ゛ンサ１２に充電される。

このコンテ゛ンサに充電された電荷は第１図点火コイル
８で発生した高電圧によるスパーク放電の直後、点火栓
６に供給されてプラズマ放電を行なう。

なお、機関水温によるエネルギ特性はほぼサーミスタ１
６の特性に依存するので、サーミスタ１６の抵抗値特性
選択は重要で、必要ならばサーミスタに直並列に固定抵
抗を組合わせたり、特性の違うサーミスタを組合わせた
り、あるいはアクティブ素子との組合わせ等が採用され
る。

第５図は本考案の他の実施例回路図で、これはプラズマ
点火用のコンデンサ１２に複数のコンデンサ１２’，
１２”・・・（図示は１２′のみで他は省略されている
）を並列に接続して機関温度に応じてコンデンサの容量
を変えることでプラズマ点火エネルギを変化させようと
するものである。

各コンデンサ１２’， １２“・・・はそれぞれリレー
接点１７，・・・を介してコンデンサ１２と並列に接続
される。

プラズマ点火用電源１１はこれらのコンデンサ１２．
１２’，・・・が全て接続された時も充分充電できるも
のを用意する。

さらに、機関水温を検知しているサーミスタ１６が設定
値以下か否かを判定し設定値以下の場合トランジスタ１
９をオン駆動する温度検出回路２０と、このトランジス
タ１９のオンにより励磁されるリレーコイル１８とが設
けられる。

このリレーコイル１８の励磁によりリレー接点１７が閉
じてコンデンサ１２′がコンデンサ１２に並列に接続さ
れる。

コンデ゛ンサ１２′がコンテ゛ンサ１２に並列に接続さ
れたことにより、コンデンサ１２単独の場合に比較して
、より大きな点火エネルギが点火栓６に供給されること
になる。

機関水温がさらに低い場合は、図示されていないコンデ
ンサ１２“に対応した温度検出回路によりオン駆動され
るトランジスタによりコンデンサ１２″に対応したリレ
ーコイル及びリレー接点が動作してコンテ゛ンサ１２“
もコンテ゛ンサ１２に並列に接続されて、さらに大きな
点火エネルギが点火栓６に供給されるよう構或してもよ
い 第６図は本考案のさらに他の実施例を示す回路図で、こ
れは第３図実施例に機関運転の過渡時のプラズマ点火エ
ネルギの制御を加えたものである。

第６図において、２１は受光素子２１０と発光ダイオー
ド２１１とからなるホトカフ゜ラ、２２はトランシスタ
Ｔｒ１，Ｔｒ２，コンデンサＣＩ，抵抗Ｒ１〜Ｒ７で構
或される微分増幅回路、２３は機関のアイドル運転時は
オン、アクセルを踏むとオフになるアイドルスイッチで
ある。

ホトカプラ２１の受光素子２１０は機関水温を検知して
いるサーミスタ１６と直列に接続されているので、この
受光素子２１０の抵抗変化は、単安定マルチバイブレー
夕回路３２には、サーミスタ１６の抵抗変化と等価に検
知される。

いま、例えばアイドル運転から走行運転へアクセルを踏
み込むとアイドルスイッチ２３はオンからオフに切替え
られ、これによりトランジスタＴｒ２は発光ダイオード
２１１に流れる電流を一定時間制限し、受光素子２１０
の等価抵抗を増大させ、単安定マルチバイブレー夕回路
３２の出力パルスの時間幅を大きくしてプラズマ点火エ
ネルギを増大させる。

以上説明してきたように、本考案によれば、機関温度に
対応したプラズマ点火エネルギを供給する構戊としたこ
とにより、低温始動時や低温がらの暖機運転時等にも温
度に見合った点火エネルギーを供給することができ、始
動不良を生じたり暖機時間が長くなる等の不都合を除く
ことができ、常に良好な燃焼を行なわせることができ、
定常機関温度の時は従来より少ない点火エネルギにする
ことができ、総合的にバツテリ電源の電力消費を少なく
することが可能となり、又機関回転数により点火エネル
ギを制御するシステムに本考案を採用する場合は急加減
速時に燃焼を不安定にすることが少ないという効果が得
られる。

なお、上記した共通の効果に加えて、第５図実施例によ
れば、回路構或を非常に簡単なものにすることができ、
第６．図実施例によれば、瞬時エネルギの増減が必要な
運転過渡状態時にも適正な燃焼を実現させることかでき
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラズマ点火装置の従来例の説明図、第２図は
１点火当りのエネルギと機関回転数との関係特性図、第
３図は本考案の一実施例構或図、第４図は第３図の各部
信号のタイムチャート、第５図及び第６図はそれぞれ本
考案の他の実施例構或図である。 符号の説明、１・・・中心電極、２・・・側方電極、３
・・・電気絶縁材、４・・・放電空間、５・・・噴孔、
６・・・点火栓、７・・・バツテリ電源、８・・・点火
コイル、９・・・コンタクトポイント、１１・・・プラ
ズマ点火用電源、１２・・・コンデンサ、１４． １５
・・・ダイオード、１６・・・サーミスタ、２０・・・
温度検出回路、２１・・・ホトカプラ、２２・・・微分
増幅回路、２３・・・アイドルスイッチ。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 内燃機関の点火栓の正負電極間の点火間隙の周囲を電気
   絶縁材で囲んで放電空間を形或し、スパーク点火用電源
   とプラズマ点火用電源を有し、点火時期にスパーク点火
   用電源により電極間に火花を飛ばし、プラズマ点火用電
   源で充電されたコンデンサを上記火花に応じて放電させ
   プラズマ点火を行なうプラズマ点火装置において、機関
   温度を検出し機関温度に逆比例する信号を出力する温度
   検出手段を設け、前記プラズマ点火用電源を前記温度検
   出手段出力信号に比例した電力を前記コンデンサに充電
   用電力として供給するプラズマ点火用電源としたことを
   特徴とする内燃機関のプラズマ点火装置。