JP5340431B2

JP5340431B2 - 点火装置

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Publication number: JP5340431B2
Application number: JP2012014776A
Authority: JP
Inventors: 公彦棚谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: US20130192571A1; JP2013155619A; DE102012210198A1; US9212646B2; DE102012210198B4

Description

この発明は、主に内燃機関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。この対応の一例として、成層混合気を利用したエンジンの超希薄燃焼（成層リーン燃焼）運転がある。成層リーン燃焼に於いては、可燃混合気の分布がバラツク場合あり、従ってこのバラツキを吸収できる点火装置が要求されている。

特許文献１に開示された従来の点火装置は、燃焼室内に火花放電を発生する点火プラグと、この点火プラグの火花放電にエネルギーを供給するマイクロ波発生装置とを備えたものである。この従来の点火装置によれば、より大きな放電プラズマを形成することができるので、空間的な着火機会を多くすることができ、混合気バラツキを吸収することができ、成層リーン燃焼に於ける前述の要求を満たすものであるとされる。

特開２０１０−９６１２８号公報

特許文献１に示された従来の点火装置は、大きな放電プラズマを形成することができる点で、失火防止、発生トルクのバラツキまで抑えることが可能ではあるが、点火プラグとは別にマイクロ波を投入する経路が必要になる点で既存エンジンへの適用が困難である。又、ピストンが往復運動をし、大きな圧力変化を繰り返し、放電、燃焼によるプラズマの生成、消滅が繰り返される非常に不安定と言える燃焼室内に、マイクロ波のような周波数の高いエネルギーを安定供給するのは、インピーダンス整合等の面で、技術的及び製品個々のマッチング面での非常な困難性を伴うという課題があった。

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、簡単な構成で容易に大きな放電プラズマを形成することのできる点火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の電極とを備え、前記間隙に火花放電を発生して前記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、
相互に磁気結合された１次コイルと２次コイルとを備え、所定の高電圧を発生し、前記発生した所定の高電圧を前記第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第１のコイル装置と、
相互に磁気結合された１次コイルと２次コイルとを備え、前記間隙に形成された火花放電の経路に電流を供給する第２のコイル装置と、
前記第１のコイル装置の１次コイルに流れる１次電流をスイッチング制御する第１のスイッチング素子と、
前記第２のコイル装置の１コイルに流れる１次電流をスイッチング制御する第２のスイッチング素子と、
前記第２のコイル装置の１次コイルに接続されたコンデンサと、
前記コンデンサに接続され、前記コンデンサとＬＣ共振回路を構成するインダクタと、
前記コンデンサの充電を制御する第３のスイッチング素子と、
を備え、
前記コンデンサは、前記ＬＣ共振回路の共振現象に基づいて充電され、
前記第１のコイル装置の２次コイルは、前記第２のコイル装置の２次コイルを経由して前記点火プラグの第１の電極に前記所定の高電圧を供給し、
前記第２のコイル装置の１次コイルは、前記コンデンサの放電電流に基づく１次電流が通電され、
前記第２のスイッチング素子は、前記火花放電の経路が形成された後に、所定の周期でオフ状態とオン状態を交互に繰り返し、
前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子とは、点火動作中に於いては、一方がオン状態のときは他方がオフ状態となり、前記一方がオフ状態のときは前記他方がオン状態となるように制御される、
ことを特徴とするものである。

この発明による点火装置によれば、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、簡素な構成で大きな放電プラズマを形成し、希薄燃焼を安定して行なうことができるようになり、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による点火装置の動作を説明するタイミングチャートである。この発明の実施の形態２による点火装置の構成図である。

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、この発明の実施の形態1による点火装置は、所定の間隙であるプラグギャップを介して対向する第１の電極としての中心電極１０１aと第２の電極としてのＧＮＤ電極１０１ｂとを有する点火プラグ１0１と、鉄心１０２ｃを介して相互に磁気結合された1次コイル１０２aと2次コイル１０２ｂとを有する第１のコイル装置としての高電圧供給コイル１０２と、鉄心１０３ｃを介して相互に磁気結合された１次コイル１０３ａと２次コイル１０３ｂとを有する第２のコイル装置としての電流供給コイル１０３と、高電圧供給コイル１０２の１次コイル１０２ａに直列接続された第１のスイッチング素子１０４と、電流供給コイル１０３の１次コイル１０３ａに直列接続された第２のスイッチング素子１０５を備える。この実施の形態１では、第１のスイッチング素子１０４、及び第２のスイッチング素子１０５は、トランジスタ素子であるＩＧＢＴにより構成されている。

高電圧供給コイル１０２の２次コイル１０２ｂと電流供給コイル１０３の２次コイル１０３ｂは、点火プラグ１０１と車両の接地電位部位（以下、ＧＮＤと称する）を介して直列に接続されている。点火プラグ１０１は、エンジンの燃焼室内に配置されている。高電圧供給コイル１０２は、点火プラグ１０１の中心電極１０１ａに所定の高電圧を供給し、中心電極１０２ａとＧＮＤ電極１０１ｂとの間のプラグギャップに絶縁破壊を引起し、プラグギャップに火花放電の経路を形成させる。電流供給コイル１０３は、後述するように点火プラグ１０１のプラグギャップ間に形成される前述の火花放電の経路に大電流を供給する。

電流供給コイル１０３は、それ単独では点火プラグ１０１のプラグギャップ間に絶縁破壊を引起すだけの高電圧を生成できないが、非常に大きな誘導電流、例えば１［Ａ］〜１０［Ａ］程度の誘導電流を流すことができる。一般的に、点火プラグには５［ｋΩ］程度の抵抗体が内包されているが、前述のように点火プラグ１０１に数［Ａ］オーダの誘導電流を流し込むため、その電流経路の抵抗成分が大きいと発熱等の浪費されるエネルギーが非常に大きくなってしまう。そこで、電極間の間隙を除く点火プラグ１０１の電流経路には抵抗値の低いもの、例えば３００［Ω］程度以下の抵抗値を有する点火プラグを選択すると良い。

第１のスイッチング素子１０４は、エンジン制御装置（以下、ＥＣＵと称する）（図示せず）からの制御信号Ｓｖに基づいてスイッチング制御され、電源１００から高電圧供給コイル１０２の１次コイル１０２ａに流れる１次電流を制御し、２次コイル１０２ｂに所定の高電圧を発生させる。第２のスイッチング素子１０５は、エンジン制御装置（ＥＣＵ）からの制御信号Ｓｃに基づいてスイッチング制御され、電源１００から電流供給コイル１０３の１次コイル１０３ａに流れる１次電流を制御し、２次コイル１０３ｂに所定の誘導電流を発生させる。

次に、以上のように構成されたこの発明の実施の形態１による点火装置の動作を説明する。図２は、この発明の実施の形態１による点火装置の動作を説明するタイミングチャートであり、（ａ）は第１のスイッチング素子１０４のベースに供給される制御信号Ｓｖ、（ｂ）は第２のスイッチング素子１０５のベースに供給される制御信号Ｓｃ、（ｃ）は高電圧供給コイル１０２の１次コイル１０２ａに流れる１次電流Ｉ１ｖ、（ｄ）は電流供給コイル１０３の１次コイル１０３ａに流れる１次電流Ｉ１ｃ、（ｅ）は電流供給コイル１０３の２次コイル１０３ｂに誘導される誘導電流としての２次電流Ｉ２、（ｆ）は電流供給コイル１０３の２次コイル１０３ｂに誘起される誘導電圧としての２次電圧Ｖ２の、夫々の波形を示している。

図１及び図２に於いて、先ず、タイミングＴ１に於いて、第１のスイッチング素子１０４を制御するための制御信号Ｓｖがハイレベル（以下、Ｈレベルと称する）になると、第１のスイッチング素子１０４がオン状態となり、電源１００から高電圧供給コイル１０２の１次コイル１０２ａ、及び第１のスイッチング素子１０４を経由してＧＮＤへと１次電流Ｉ１ｖが流れる。１次コイル１０２ａに１次電流Ｉ１ｖが流れることにより高電圧供給コイル１０２は磁気エネルギーを蓄積する。

高電圧供給コイル１０２に十分な磁気エネルギーを蓄えた後のタイミングＴ２に、制御信号Ｓｖがローレベル（以下、Ｌレベルと称する）へと切り替わる。これにより、第１のスイッチング素子１０４がオフ状態となり、高電圧供給コイル１０２の１次電流Ｉ１ｖが遮断される。その結果、高電圧供給コイル１０２は、蓄えていた磁気エネルギーを解放し、２次コイル１０２ｂの両端間に所定の高電圧である２次電圧を発生する。

高電圧供給コイル１０２の２次コイル１０２ｂの両端間に発生した２次電圧は、電流供給コイル１０３の２次コイル１０３ｂを介して点火プラグ１０１の中心電極１０１ａに印加される。これにより、タイミングＴ２に於いて中心電極１０１ａとＧＮＤ電極１０１ｂとの間のプラグギャップ間に絶縁破壊が引き起こされ、火花放電の経路が形成される。

一方、タイミングＴ１１に於いて制御信号ＳｃがＨレベルになると、第２のスイッチング素子１０５がオン状態となり、電源１００から電流供給コイル１０３の１次コイル１０３ａ、及び第２のスイッチング素子１０５のコレクタからエミッタを経由してＧＮＤへと１次電流Ｉ１ｃが流れる。ここで、タイミングＴ１１は、タイミングＴ１と同時刻であっても良いし、異なる時刻であっても良い。

タイミングＴ１１にて電流供給コイル１０３の１次コイル１０３ａに１次電流Ｉ１ｃの通電が開始されると、図２の（ｆ）に示すように２次コイル１０３ｂに２次電圧Ｖ２が誘起され、この２次電圧Ｖ２が点火プラグ１０１の中心電極１０１ａに印加されるが、この程度の電圧ではプラグギャップ間に絶縁破壊は発生せず、従って（ｅ）に示すようにプラグギャップ間に２次電流Ｉ２は流れない。電流供給コイル１０３は、タイミングＴ１１から１次コイル１０３ａに１次電流Ｉ１ｃが流れることで、磁気エネルギーを蓄積する。

電流供給コイル１０３に十分な磁気エネルギーを蓄えた後、タイミングＴ２１に於いて制御信号ＳｃをＬレベルへと切替え、１次電流Ｉ１ｃを遮断する。ここで、タイミングＴ２１は、プラグギャップ間に放電経路が形成されている間に設定するのが望ましい。つまり、タイミングＴ２１は、タイミングＴ２と同時刻か、これより０〜１００［μｓ］程度遅らせたタイミングとする。タイミングＴ２１は、タイミングＴ２より早くすると、プラグギャップ間に放電経路が形成されていない状態で電流供給コイル１０３の磁気エネルギーを解放することになり、プラグギャップ間に絶縁破壊を発生させることができず、従って誘導電流を供給することができず、タイミングＴ１１から蓄積した磁気エネルギーを無駄に開放させることとなってしまうため、効率的ではない。

電流供給コイル１０３は、タイミングＴ２１に於いて、蓄えた磁気エネルギーを解放する。プラグギャップ間には前述したようにタイミングＴ２に於いて既に放電経路が形成されており、インピーダンスが非常に小さくなっているので、電圧供給能力の低い電流供給コイル１０３であっても効率よく誘導電流である２次電流Ｉ２をその放電経路に流し込むことができる。

次に、タイミングＴ３に於いて制御信号ＳｃをＨレベルへと切替えると、再び電流供給コイル１０３のＩ次コイル１０３ｂに１次電流Ｉ１ｃが流れ始め、電流供給コイル１０３に磁気エネルギーが蓄積されると同時に、２次コイル１０３ｂには、磁気エネルギー解放時とは逆極性の２次電圧Ｖ２が誘起される。

尚、この実施の形態１では、点火プラグ１０１の中心電極１０１ａからＧＮＤ電極１０１ｂに向かう方向を正方向と称する。従って、高電圧供給コイル１０２、電流供給コイル１０３共に、磁気エネルギーの解放時には、負電圧を発生すると共に負方向の２次電流Ｉ２が流れ、１次電流Ｉｃ１の通電時には、正電圧である２次電圧Ｖ２が誘起されると共に正方向の２次電流Ｉ２が流れることになる。

タイミングＴ３では、放電経路が形成されているのでプラグギャップ間のインピーダンスが低下した状態にあり、電流供給コイル１０３の２次コイル１０３ｂに発生する正電圧により、プラグギャップ間にはこれまでとは逆の正方向の放電電流Ｉ２が流れる。

次に、タイミングＴ４で制御信号ＳｃをＬレベルへと切替えると、電流供給コイル１０３の１次電流Ｉ１ｃが遮断され、電流供給コイル１０３は蓄えたエネルギーを解放するので、プラグギャップ間には負方向の２次電流Ｉ２が流れる。以降、タイミングＴ３からタイミングＴ４の動作と同様の動作を繰り返すことで、正方向と、負方向とが交互に、つまり交流の大電流である２次電流Ｉ２をプラグギャップ間に流し込むことができるので、プラグギャップ間に多量のプラズマを生成させることができる。

以上述べたように、この発明の実施の形態１による点火装置によれば、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、簡素な構成で容易に大きな放電プラズマを形成し、安定して希薄燃焼させることができ、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るので、ＣＯ２の排出量を大きく削減し、環境保全に役立てることができる。

又、この発明の実施の形態１による点火装置によれば、電流供給コイルを、トランジスタ素子としてのＩＧＢＴにより第２のスイッチング素子により駆動する、所謂、フルトランジスタ型点火方式で駆動するようにしたので、簡単、且つ安価な点火装置を得ることができる。このフルトランジスタ型点火方式は、１［ＭＨｚ］程度までの周期で短時間に繰返し大電流を点火プラグの電極間に供給することができ、大きな放電プラズマをプラグギャップ間に形成することができる。

実施の形態２．
大きな放電プラズマを形成し、多量のプラズマを内燃機関の燃焼室内の広範囲に供給するためには、「大きな電流」を、「短時間に繰返し」プラグギャップ間へ投入する方が良い。前述の実施の形態１では、「大きな電流」を、「短時間に繰返し」プラグギャップ間へ投入するために、フルトランジスタ型点火方式で電流供給コイルを駆動するようにした。

しかしながら、「大きな電流」を供給するという観点からは、電流供給コイルを容量放電型点火方式（以下、ＣＤＩ方式と称する）で駆動する方が良い。ただ、一般的なＣＤＩ方式では大きな電流を供給することはできるが、容量電流の供給源であるコンデンサの充電に数［ｍｓｅｃ］程度の時間を要するため、「短時間に繰返し」供給することが困難である。

この発明の実施の形態２による点火装置は、以下述べるように構成したＣＤＩ方式により、電流供給コイルを駆動する構成として、「大きな電流」を「短時間に繰返し」供給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による点火装置の構成図である。図３に於いて、この発明の実施の形態２による点火装置は、所定のプラグギャップを介して対向する第１の電極としての中心電極１０１aと第２の電極としてのＧＮＤ電極１０１ｂとを有する点火プラグ１0１と、鉄心１０２ｃを介して相互に磁気結合された1次コイル１０２aと2次コイル１０２ｂとを有する第１のコイル装置としての高電圧供給コイル１０２と、鉄心３０１ｃを介して相互に磁気結合されたＩ次コイル３０１ａと２次コイル３０１ｂとを有する第２のコイル装置としての電流供給コイル３０１と、高電圧供給コイル１０２の１次コイル１０２ａに直列接続された第１のスイッチング素子１０４と、電流供給コイル３０１の１次コイル３０１ａに直列接続された第２のスイッチング素子３０２と、第２のスイッチング素子３０２を介して第２のコイル３０１ａの両端間に接続された点火コンデンサ３０４と、第１のスイッチング素子３０２のエミッタと点火コンデンサ３０４との接続部とＧＮＤ間に接続された第３のスイッチング素子３０５と、電源１００１と点火コンデンサ３０４との間に直列接続された整流ダイオード３０６及びインダクタ３０３とを備えている。

点火コンデンサ３０４とインダクタ３０３はＬＣ共振回路を構成し、点火コンデンサ３０４は、後述するようにそのＬＣ共振回路の共振現象に基づいて充電される。

この実施の形態２では、第１のスイッチング素子１０４、第２にスイッチング素子３０２、及び第３のスイッチング素子３０５は、トランジスタ素子であるＩＧＢＴにより構成されている。

高電圧供給コイル１０２の２次コイル１０２ｂと電流供給コイル３０１の２次コイル３０１ｂは、点火プラグ１０１と車両のＧＮＤを介して直列に接続されている。点火プラグ１０１は、エンジンの燃焼室内に配置されている。高電圧供給コイル１０２は、点火プラグ１０１の中心電極１０１ａに所定の高電圧を供給し、中心電極１０２ａとＧＮＤ電極１０１ｂとの間のプラグギャップに絶縁破壊を引起し、プラグギャップに火花放電の経路を形成させる。電流供給コイル３０１は、後述するように点火プラグ１０１のプラグギャップ間に形成される火花放電の経路に大電流を供給する。

前述したように、電流供給コイル３０１の１次コイル３０１ａの両端間には、点火コンデンサ３０４が第２のスイッチング素子３０２を介して接続されており、１次コイル３０１ａに流れる１次電流は、点火コンデンサ３０４の正極から、１次コイル３０１ａ、及び第２のスイッチング素子３０２のコレクタからエミッタを経由して、点火コンデンサ３０４の負極へ戻る経路で流れる。点火コンデンサ３０４に蓄積される電荷量が大きくなる程、電流供給コイル３０１の１次電流値は大きくなる。従って、点火コンデンサ３０４の容量値Ｃや充電電圧を適当に選択することで「大きな電流」を供給することができるようになる。

第１のスイッチング素子１０４は、ＥＣＵからの制御信号Ｓｖに基づいてスイッチング制御され、電源１００から高電圧供給コイル１０２の１次コイル１０２ａに流れる１次電流を制御し、２次コイル１０２ｂに所定の高電圧を発生させる。第２のスイッチング素子３０２、及び第３のスイッチング素子３０５は、ＥＣＵからの制御信号ＳｃＨ、及び制御信号ＳｃＬに基づいて、夫々スイッチング制御される。

点火コンデンサ３０４の正極は、整流ダイオード３０６、及びインダクタ３０３を介して電源１００１に接続され、負極は第３のスイッチング素子３０５を介してＧＮＤへ接続されている。従って、点火コンデンサ３０４を充電する経路は、電源１００１から整流ダイオード３０６、インダクタ３０３を経由して点火コンデンサ３０４の正極へ至り、点火コンデンサ３０４の負極から第３のスイッチング素子３０５のコレクタからエミッタを経由してＧＮＤに至る経路により形成される。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態２による点火装置に於いて、第１のスイッチング素子１０４と第２のスイッチング素子３０２は、前述の実施の形態１と同様のタイミングで夫々制御信号Ｓｖ、ＳｃＨによりスイッチングされる。第３のスイッチング素子３０５は、第２のスイッチング素子３０２がオン状態のときはオフ状態となり、第２のスイッチング素子３０２がオフ状態のときはオン状態となるように、制御信号ＳｃＬによりスイッチング制御される。

点火コンデンサ３０４は、第３のスイッチング素子３０５がオン状態のときに、整流ダイオード３０６及びインダクタ３０３を介して電源１００１から充電される。このとき、点火コンデンサ３０４へ流れる充電電流は、点火コンデンサ３０４の静電容量値Ｃとインダクタ３０３のインダクタンス値Ｌとで定まるＬＣ共振の周期で増幅されて流れる。つまり、これらインダクタンス値Ｌ、静電容量値Ｃからなるパラメータを適切に選択すれば、非常に高速に、且つ電源電圧１００１よりも高い電圧で点火コンデンサ３０４を充電することができる。

点火コンデンサ３０４の放電回路は、第２のスイッチング素子３０２がオン状態のときに、電流供給コイル３０１の１次コイル３０１ａを介して形成され、前述のように電源１００１の電圧値より高い充電電圧で大きな電流値となって放電する。電流供給コイル３０１は、その結果、高い磁気エネルギーを蓄積する。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態２による点火装置に於いて、次にその動作を説明する。尚、以下の説明で、夫々のタイミングは、前述の図２に示すタイミングに対応するものである。図３に於いて、先ず、タイミングＴ１に於いて、第１のスイッチング素子１０４を制御するための制御信号ＳｖがＨレベルになると、第１のスイッチング素子１０４がオン状態となり、電源１００から高電圧供給コイル１０２の１次コイル１０２ａ、及び第１のスイッチング素子１０４を経由してＧＮＤへと１次電流Ｉ１ｖが流れる。１次コイル１０２ａに１次電流Ｉ１ｖが流れることにより高電圧供給コイル１０２は磁気エネルギーを蓄積する。

高電圧供給コイル１０２に十分な磁気エネルギーを蓄えた後のタイミングＴ２に、制御信号ＳｖがＬレベルへと切り替わる。これにより、第１のスイッチング素子１０４がオフ状態となり、高電圧供給コイル１０２の１次電流Ｉ１ｖが遮断される。その結果、高電圧供給コイル１０２は、蓄えていた磁気エネルギーを解放し、２次コイル１０２ｂの両端間に所定の高電圧である２次電圧を発生する。

高電圧供給コイル１０２の２次コイル１０２ｂの両端間に発生した２次電圧は、電流供給コイル３０１の２次コイル３０１ｂを介して点火プラグ１０１の中心電極１０１ａに印加される。これにより、タイミングＴ２に於いて中心電極１０１ａとＧＮＤ電極１０１ｂとの間のプラグギャップ間に絶縁破壊が引き起こされ、火花放電の経路が形成される。

タイミングＴ１の直前には、第２のスイッチング素子３０２がオフ状態、第３のスイッチング素子３０５がオン状態にあるので、点火コンデンサ３０４は、整流ダイオード３０６及びインダクタ３０３を介して電源１００１から充電される。このとき、点火コンデンサ３０４へ流れる充電電流は、点火コンデンサ３０４の静電容量値Ｃとインダクタ３０３のインダクタンス値Ｌとで定まるＬＣ共振の周期で増幅されて流れ、非常に高速に、且つ電源電圧１００１よりも高い電圧で点火コンデンサ３０４を充電されている。

次に、タイミングＴ１１に於いて、制御信号ＳｃＨがＨレベル、制御信号ＳｃＬがＬレベルになり、第２のスイッチング素子３０２がオン状態、第３のスイッチング素子３０５がオフ状態となり、前述のように点火コンデンサ３０４の放電回路が電流供給コイル３０１の１次コイル３０１ａ、及び第２のスイッチング素子３０２のコレクタからエミッタを経由して形成される。これにより、点火コンデンサ３０４の放電電流である１次電流Ｉ１ｃが電流供給コイル３０１の１次コイル３０１ａに流れる。ここで、タイミングＴ１１は、タイミングＴ１と同時刻であっても良いし、異なる時刻であっても良い。

タイミングＴ１１にて電流供給コイル３０１の１次コイル３０１ａに１次電流Ｉ１ｃの通電が開始されると、２次コイル３０１ｂに２次電圧Ｖ２が誘起され、この２次電圧Ｖ２が点火プラグ１０１の中心電極１０１ａに印加されるが、この程度の電圧ではプラグギャップ間に絶縁破壊は発生せず、従って、プラグギャップ間に２次電流Ｉ２は流れない。電流供給コイル３０１は、タイミングＴ１１から１次コイル３０１ａに１次電流Ｉ１ｃが流れることで、磁気エネルギーを蓄積する。

電流供給コイル１０３に十分な磁気エネルギーを蓄えた後、タイミングＴ２１に於いて制御信号ＳｃＨをＬレベル、制御信号ＳｃＬをＨレベルへと切替え、１次電流Ｉ１ｃを遮断する。ここで、タイミングＴ２１は、プラグギャップ間に放電経路が形成されている間に設定するのが望ましい。

電流供給コイル３０１は、タイミングＴ２１で蓄えた磁気エネルギーを解放する。プラグギャップ間には前述したようにタイミングＴ２に於いて既に放電経路が形成されており、インピーダンスが非常に小さくなっているので、点火コンデンサ３０４の放電電流により蓄積された大きな磁気エネルギーの解放により、大きな誘導電流である２次電流Ｉ２をその放電経路に流し込むことができる。

タイミングＴ２１で段３のスイッチング素子３０５がオン状態となることで、点火コンデンサ３０５は電源１００１から前述のように充電される。

次に、タイミングＴ３に於いて制御信号ＳｃＨをＨレベル、制御信号ＳｃＬをＬレベルへと切替えると、再び電流供給コイル３０１の１次コイル３０１ｂに点火コンデンサ３０４の放電電流による１次電流Ｉ１ｃが流れ始め、電流供給コイル１０３に大きな磁気エネルギーが蓄積されると同時に、２次コイル３０１ｂには、磁気エネルギー解放時とは逆極性の２次電圧Ｖ２が誘起される。

タイミングＴ３ではプラグギャップ間に放電経路が形成されているのでプラグギャップ間のインピーダンスが低下した状態にあり、電流供給コイル３０１の２次コイル３０１ｂに発生する正電圧により、プラグギャップ間にはこれまでとは逆の正方向の放電電流Ｉ２が流れる。

次に、タイミングＴ４で制御信号ＳｃＨをＬレベル、制御信号ＳｃＬをＨレベルへと切替えると、電流供給コイル３０１の１次電流Ｉ１ｃが遮断され、電流供給コイル３０１は蓄えたエネルギーを解放するので、プラグギャップ間には負方向の大きな２次電流Ｉ２が流れる。以降、タイミングＴ３からタイミングＴ４の動作と同様の動作を繰り返すことで、正方向と、負方向とが交互に、つまり交流の大電流である２次電流Ｉ２をプラグギャップ間に流し込むことができるので、プラグギャップ間に多量のプラズマを生成させることができる。この発明の実施の形態２による点火装置によれば、１００［ｋＨｚ］程度までの周期で駆動することができる。

尚、特にＣＤＩ式の場合、扱う電流値が大きくなるため、製品構造や取りつけ状態によっては周囲へのノイズ源となる恐れがあるが、無線周波数帯等を外した動作周期を選択すれば、前述のノイズ源となる恐れをなくすることができる。

以上述べたように、この発明の実施の形態２による点火装置によれば、電流供給コイルの１次コイルにより大きな１次電流を、短時間に繰返し流せるので、プラグギャップ間の放電経路に、より大きな電流を投入できるようになる。従って、大きな放電プラズマを形成し、多量のプラズマを燃焼室内の広範囲に供給、燃焼反応を促進することができるようになるので、希薄燃焼限界領域等を拡大することができる。

実施の形態３．
例えばガソリンを燃料とする内燃機関の自動車に於いて、一部の運転条件ではその機関効率を向上させるため、多量の排気ガス還流（ＥＧＲ）や超希薄燃料燃焼等を行うが、残る大半はこれまで通りの、所謂、通常の火花放電で十分にエンジンを動かすことができる。

この発明の実施の形態３による点火制御装置は、前述の実施の形態１又は実施の形態２に於いて、電流供給コイルを、内燃機関の一部の運転条件化でのみ駆動して前述の動作を行なわせ、それ以外の通常の運転条件化では、高圧供給コイルのみのより点火プラグに火花放電を起こさせて内燃機関を動作させるようにしたものである。

電流供給コイルを駆動するためにはより大きな電力が必要となり、全ての運転条件下で電流供給コイルを駆動すれば、点火に使用するエネルギーが大きくなり、場合によってはむしろ燃費が悪化することも考えられる。又、大きな電流による点火プラグの電極の磨耗量も大きくなってしまう。従って、必要な条件以外では電流供給コイルの駆動を停止する方が良い。

大きな放電プラズマを必要とする運転条件は、例えばＥＣＵにより判断する。ＥＣＵは前述したような大きな放電プラズマが必要な状況、例えば大量のＥＧＲを投入すること、或いは超希薄燃料にすることを指示する装置でもあるので、これらの状況をいち早く察知することができ、大きな放電プラズマを必要とする運転条件を判断する装置として好適である。この場合、ＥＣＵは、内燃機関の運転条件を判断する運転条件判断装置を構成する。

尚、ＥＣＵによる大きな放電プラズマを必要とする運転条件の判断させる代わりに、内燃機関の筒内圧センサやイオン電流センサ、内燃機関の回転変動による失火検出、振動センサ等による燃焼状態センシング結果等に応じて、内燃機関の燃焼の状態が悪い若しくは悪くなりそうであると判断されたときに、電流供給コイルを駆動し、大きな放電プラズマを発生させるようにしても良い。この場合、内燃機関の筒内圧センサやイオン電流センサ、内燃機関の回転変動による失火検出、振動センサ等のうちの少なくとも一つは、内燃機関の運転条件を判断する運転条件判断装置を構成する。

以上述べたこの発明の実施の形態３による点火装置によれば、必要に応じて点火に高エネルギーを投入できるので、内燃機関運転の省エネルギー化に寄与することができる。又、不必要な点火プラグの消耗を防ぐことができるので、メンテナンス費の増加防止、資源の浪費防止にも寄与することができる。

以上述べた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、環境保全に貢献することができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内に於いて、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１００、１００１電源１０１点火プラグ
１０１ａ中心電極１０１ｂＧＮＤ電極
１０２高電圧供給コイル
１０２ａ高電圧供給コイルの１次コイル
１０２ｂ高電圧供給コイルの２次コイル
１０２ｃ高電圧供給コイルの鉄心
１０３、３０１電流供給コイル
１０３ａ、３０１ａ電流供給コイルの１次コイル
１０３ｂ、３０１ｂ電流供給コイルの２次コイル
１０３ｃ電流供給コイルの鉄心１０４第１のスイッチング素子
１０５、３０２第２のスイッチング素子３０３インダクタ
３０５第３のスイッチング素子３０６整流ダイオード

Claims

間隙を介して対向する第１の電極と第２の電極とを備え、前記間隙に火花放電を発生して前記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、
相互に磁気結合された１次コイルと２次コイルとを備え、所定の高電圧を発生し、前記発生した所定の高電圧を前記第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第１のコイル装置と、
相互に磁気結合された１次コイルと２次コイルとを備え、前記間隙に形成された火花放電の経路に電流を供給する第２のコイル装置と、
前記第１のコイル装置の１次コイルに流れる１次電流をスイッチング制御する第１のスイッチング素子と、
前記第２のコイル装置の１コイルに流れる１次電流をスイッチング制御する第２のスイッチング素子と、
前記第２のコイル装置の１次コイルに接続されたコンデンサと、
前記コンデンサに接続され、前記コンデンサとＬＣ共振回路を構成するインダクタと、
前記コンデンサの充電を制御する第３のスイッチング素子と、
を備え、
前記コンデンサは、前記ＬＣ共振回路の共振現象に基づいて充電され、
前記第１のコイル装置の２次コイルは、前記第２のコイル装置の２次コイルを経由して前記点火プラグの第１の電極に前記所定の高電圧を供給し、
前記第２のコイル装置の１次コイルは、前記コンデンサの放電電流に基づく１次電流が通電され、
前記第２のスイッチング素子は、前記火花放電の経路が形成された後に、所定の周期でオフ状態とオン状態を交互に繰り返し、
前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子とは、点火動作中に於いては、一方がオン状態のときは他方がオフ状態となり、前記一方がオフ状態のときは前記他方がオン状態となるように制御される、
ことを特徴とする点火装置。
前記内燃機関の所定の運転条件を判断する運転条件判断装置を備え、
前記第２のコイル装置は、前記運転条件判断装置が前記内燃機関が前記所定の運転条件にあると判断したときにのみ動作するように制御され、
前記点火プラグは、前記第２のコイル装置の動作が停止しているときは、前記第１のコイル装置の発生する火花放電により前記可燃混合気を点火させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
前記運転条件判断装置は、エンジン制御装置により構成されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の点火装置。
前記運転条件判断装置は、内燃機関の筒内圧センサ、イオン電流センサ、内燃機関の回転変動による失火検出、振動センサのうちの少なくとも一つにより構成されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の点火装置。
前記点火プラグは、前記間隙を除く電流経路の抵抗値が３００［Ω］以下である、
ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一項に記載の点火装置。