(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化が容易で搭載性に優れ、かつ、プラズマ抜けの抑制と不正放電の抑制とを両立する信頼性の高いプラズマ式点火装置を提供する。【解決手段】点火プラグ１０と、高電圧を点火プラグ１０に印加するブレイク放電回路３０と、大電流を点火プラグ１０に供給するプラズマ放電回路４０とからなるプラズマ式点火装置１において、ブレイク放電回路３０は、スイッチング素子３２の開閉により電源２０の電圧を昇圧する昇圧コイル３１を具備し、プラズマ放電回路４０は、エネルギ蓄積手段として、少なくとも高耐圧で小容量のキャパシタＣ１と比較的低耐圧で大容量のキャパシタＣ２とを含む複数のキャパシタを具備し、キャパシタＣ１を充電する電圧をスイッチング素子４０２の開閉によって電源２０の電圧を昇圧するキャパシタ充電電圧昇圧コイル４０１と、静電容量の大きいキャパシタＣ２を充電する電圧を比較的低い電圧に調整する電圧調整回路２２とを具備する。【選択図】図１
2010216467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼機関に装着される点火プラグと、電源電圧を昇圧して上記点火プラグへ高電圧を印加するブレイク放電回路と、電源からの電気エネルギを蓄積して上記点火プラグへ大電流として供給するプラズマ放電回路とを具備し、上記燃焼機関の燃焼室内に高温・高圧のプラズマ状態となった気体を噴射して該燃焼機関の点火を行うプラズマ式点火装置において、上記プラズマ放電回路は、少なくとも、エネルギ蓄積手段と、該エネルギ蓄積手段に対して上記ブレイク放電回路からの高電圧の印加の直前に高いエネルギを瞬間的に供給して上記エネルギ蓄積手段に蓄積する瞬時エネルギ供給手段を具備することを具備することを特徴とするプラズマ式点火装置。
【請求項２】
上記瞬時エネルギ供給手段は、少なくとも、電源電圧を昇圧する第１の昇圧コイルと、第１の昇圧コイルを開閉駆動する第１の開閉素子とを具備し、上記エネルギ蓄積手段は、少なくとも１以上のキャパシタを具備し、該キャパシタを上記第１の昇圧コイルによって昇圧された２次電圧によって充電する請求項１に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項３】
上記エネルギ蓄積手段は、複数のキャパシタによって構成し、上記複数のキャパシタの内、１のキャパシタを上記第１の昇圧コイルによって昇圧された２次電圧によって充電する請求項１又は２に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項４】
上記複数のキャパシタを静電容量の異なるキャパシタによって構成する請求項３に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項５】
上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の小さいキャパシタの静電容量は、０．００１μＦ以上、０．１μＦ以下に設定する請求項４に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項６】
上記第１の昇圧コイルの２次電圧は、８００Ｖ以上、２ｋＶ以下に設定する請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項７】
上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の大きいキャパシタの静電容量は、０．５μＦ以上、５μＦ以下に設定する請求項４ないし６のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項８】
上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の大きいキャパシタを充電する充電電圧を６００Ｖ以下に設定する請求項４ないし７のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項９】
上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の大きいキャパシタを充電する充電電圧を３５０Ｖ以下に設定する請求項４ないし８のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項１０】
上記ブレイク放電回路は、少なくとも、電源電圧を昇圧する第２の昇圧コイルと、上記第２の昇圧コイルを開閉駆動する第２の開閉素子とを具備する請求項１ないし９のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項１１】
上記燃焼機関の運転状況に応じて点火信号を発生する電子制御装置と、該点火信号に従って、上記第１の開閉素子の開閉を制御する第１の開閉パルスと上記第２の開閉素子の開閉を制御する第２の開閉パルスとを整形する開閉パルス整形装置を具備する請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項１２】
１０ｋＶ以上、４０ｋＶ以下の高電圧の印加される高電圧領域と、８００Ｖ以上、２．５ｋＶ以下の次高電圧の印加される次高電圧領域と、６００Ｖ以下の次々高電圧領域とを区画せしめる請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、難着火性燃焼機関の点火に用いられるプラズマ式点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車エンジン等の燃焼機関において燃焼排気中に含まれる環境負荷物質の低減やさらなる燃費の向上のため、燃料の希薄化、高過給化等が図られている。一般に、希薄燃焼機関や、高過給燃焼機関は難着火性であるため、より着火性に優れた点火装置が望まれている。
【０００３】
従来のスパークプラグを用いた火花放電では着火が困難な、極希薄燃焼機関や、高過給燃焼機関等の難着火性燃焼機関においても安定した点火を実現可能な次世代の点火装置として、燃焼室内に高温・高圧のプラズマ状態となった気体を噴射して点火を行うプラズマ式点火装置について種々提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００４】
このようなプラズマ式点火装置では、内部に放電空間を区画した点火プラグの対向する電極対間に高電圧を印加して放電空間内の絶縁を破壊するブレイク放電を行うと共に、ブレイク放電をトリガとして放電空間に大電流を供給することにより、ブレイク放電により形成された放電経路周辺の気体を高温・高圧のプラズマ状態となして燃焼室内に噴射せしめて、燃焼室内に容積的に大きな火炎核を発生させ、難着火性燃焼機関の着火を行うことができると期待されている。
【０００５】
例えば、図１７に示すような従来のプラズマ式点火装置１ｚは、点火プラグ１０ｚと、点火プラグ１０ｚに高電圧を印加するブレイク放電回路３０ｚと、点火プラグ１０ｚに大電流を供給するプラズマ放電回路４０ｚと、燃焼機関の運転状況に応じた点火信号を発生してブレイク放電回路３０ｚとプラズマ放電回路４０ｚとを制御する電子制御装置（ＥＣＵ）６０ｚとによって構成されている。
【０００６】
ブレイク放電回路３０ｚは、電源２０ｚの電圧を昇圧する昇圧コイル３１ｚと昇圧コイル３１ｚを開閉するスイッチング素子３２ｚを含む昇圧コイル駆動回路と、昇圧コイル３１ｚから点火プラグ１０ｚへ流れる電流を整流する整流素子３３ｚと、点火時に発生する高周波ノイズを抑制するノイズ吸収抵抗３４ｚとによって構成されている。
【０００７】
プラズマ放電回路４０ｚは、電源２０ｚから供給される電気エネルギを蓄積するキャパシタＣｚと、キャパシタＣｚを充電する際に電源２０ｚからキャパシタＣｚに流れる電流を適正な値に制限する充電抵抗４１１ｚと、キャパシタＣｚから放出されるプラズマ放電電流を整流する大容量整流素子４３０ｚとによって構成されている。ブレイク放電回路３０ｚとプラズマ放電回路４０ｚとに供給される電圧はＤＣ−ＤＣコンバータ等の電圧調整回路２２ｚによって適宜調整されている。
【０００８】
イグニションキー２１ｚが閉じられると、昇圧コイル３１ｚの１次側に電源２０ｚからの低電圧が印加される。ＥＣＵ６０ｚからの点火信号ＩＧｔｚに従ってスイッチング素子３２ｚにより１次電流Ｉｐｒｚが遮断されると、昇圧コイル３１ｚ内の磁界の変化を妨げる方向に、昇圧コイル３１ｚの２次側に高い２次電圧Ｖｓｃｚ（例えば、１０〜３０ｋＶ）が発生する。
【０００９】
この２次電圧Ｖｓｃｚが点火プラグ１０ｚ内に区画された放電空間内の絶縁耐圧を超えると放電空間内の絶縁を破壊するブレイク放電が起こる。次いで、ブレイク放電をトリガとして、キャパシタＣｚに蓄積された電気エネルギが大電流となって放電空間内に放出され、放電空間内の気体が高温・高圧のプラズマ状態となって燃焼室内に噴射される。プラズマ状態となった気体は容積的に大きく、高エネルギで燃焼速度の速い火炎核を発生させ、難着火性燃焼機関の燃焼室内の混合気を着火できると期待されている。
【００１０】
また、プラズマ式点火装置は、自動車エンジン等の内燃機関に限らず、ガス燃料を利用して発電を行うコジェネレーションシステム等の大規模プラントにおいても、安定した点火を実現する点火装置として期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、従来のプラズマ式点火装置１ｚにおいてキャパシタＣｚの充電電圧Ｖｃｚを４００Ｖ以下の比較的低い電圧に設定した場合には、ブレイク放電回路３０ｚから点火プラグ１０ｚに印加された絶縁破壊後の放電電圧が略４００Ｖ以下とならなければキャパシタＣｚからの放電が開始されない。
【００１２】
また、ブレイク放電時にブレイク放電回路３０ｚから点火プラグ１０ｚに流れる放電電流は、せいぜい１００ｍＡ程度と小さいため、負性抵抗をもつ点火プラグの絶縁破壊後の電極間電圧は安定的には４００Ｖ以下にならない。
【００１３】
このため、図１８（ａ）に示すように、キャパシタＣｚからの放電が開始される前に放電空間内の圧力変化等により絶縁破壊後の放電電圧が４００Ｖ以上になってしまい、キャパシタＣｚからの放電が発生しない、いわゆるプラズマ抜けと呼ばれる現象を生じる虞がある。プラズマ抜けを生じた場合には、キャパシタＣｚから放電空間内に大電流が供給されず、放電空間内の気体が燃焼室内に噴射されず難着火性燃焼機関の失火に至り筒内圧力ＰＣＹＬが上昇しない虞がある。
【００１４】
一方、このようなプラズマ抜けを抑制すべく、キャパシタＣｚの充電電圧Ｃｖｚを８００Ｖ以上の高い電圧に設定した場合には、ブレイク放電回路３０ｚからの放電電流により点火プラグの絶縁破壊後の電極間電圧は安定的に８００Ｖ以下であり、キャパシタＣｚからの放電が開始されるので、プラズマ抜けを起こすことなく確実に放電空間内の気体をプラズマ状態とし噴射させることができるようになる。
【００１５】
ところが、このような方法では、点火プラグ１０ｚに常に比較的高い電圧が印加された状態となるため、燃焼機関の排気バルブの開閉や吸気バルブの開閉やピストンの下降等により燃焼室内の圧力ＰＣＹＬが低下して、放電空間内の絶縁抵抗が低くなったときには、図１８（ｂ）に示すように、点火信号ＩＧｔzとは無関係に放電が発生する、いわゆる不正放電が発生する虞がある。
【００１６】
このような不正放電は、キャパシタＣｚから比較的大きな電流が流れるため、点火プラグの電極消耗を引き起こす虞がある。また、このような不正放電はエネルギの浪費にもなる。さらに吸気時に発生した場合には早期着火によりエンジン故障に至る虞がある。
【００１７】
さらに、キャパシタＣｚの充電電圧を４００Ｖよりも高く、８００Ｖよりも低く設定した場合には、燃焼機関の運転状態によってプラズマ抜けと不正放電とのいずれかが不安定に発生し、点火装置としての信頼性を損なう虞がある。
【００１８】
加えて、プラズマ抜けを抑制すべく、キャパシタＣｚの充電を８００Ｖ以上の高い充電電圧で行っている場合には、高電圧部の安全性確保のため十分な絶縁対策を施す必要があり、ＤＣ−ＤＣ２２ｚからプラズマ放電回路４０ｚへの接続に高耐圧ケーブルや高耐圧コネクタが必要となるのと、高耐圧で必要容量のキャパシタは体格が大きくなるため、装置が大型化して車両等への搭載が困難となる虞もある。
【００１９】
また、コジェネレーションシステムのように、比較的装置の規模が大きく、プラズマ放電回路等の電源の搭載スペースに余裕があり、プラズマエネルギを蓄積する手段として比較的容量の大きなキャパシタが利用される場合であっても、長い時間キャパシタに高電圧が印加されていると、燃焼室内の圧力変化によって生じる放電空間の絶縁耐圧の変化によって不正放電が発生する虞がある。
【００２０】
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、難着火性燃焼機関の点火を行うプラズマ式点火装置において、小型化が容易で搭載性に優れ、かつ、プラズマ抜けの抑制と不正放電の抑制とを両立する信頼性の高いプラズマ式点火装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
第１の発明では、燃焼機関に装着される点火プラグと、電源電圧を昇圧して上記点火プラグへ高電圧を印加するブレイク放電回路と、電源からの電気エネルギを蓄積して上記点火プラグへ大電流として供給するプラズマ放電回路とを具備し、高電圧の印加と大電流の放出により、放電空間内の気体をプラズマ状態とし、上記燃焼機関の燃焼室内に高温・高圧のプラズマ状態となった気体を噴射して該燃焼機関の点火を行うプラズマ式点火装置において、上記プラズマ放電回路は、少なくとも、エネルギ蓄積手段と、該エネルギ蓄積手段に対して上記ブレイク放電回路からの高電圧の印加の直前に高いエネルギを瞬間的に供給して上記エネルギ蓄積手段に蓄積する瞬時エネルギ供給手段を具備する（請求項１）。
【００２２】
具体的には、第２の発明のように、上記瞬時エネルギ供給手段は、少なくとも、電源電圧を昇圧する第１の昇圧コイルと、第１の昇圧コイルを開閉駆動する第１の開閉素子とを具備し、上記エネルギ蓄積手段は、少なくとも１以上のキャパシタを具備し、該キャパシタを上記第１の昇圧コイルによって昇圧された２次電圧によって充電する（請求項２）。
【００２３】
第３の発明では、上記エネルギ蓄積手段は、複数のキャパシタによって構成し、上記複数のキャパシタの内、１のキャパシタを上記第１の昇圧コイルによって昇圧された２次電圧によって充電する（請求項３）。
【００２４】
第４の発明では、上記複数のキャパシタを静電容量の異なるキャパシタによって構成する（請求項４）。
【００２５】
第５の発明では、上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の小さいキャパシタの静電容量は、０．００１μＦ以上、０．１μＦ以下に設定する（請求項５）。
【００２６】
第６の発明では、上記第１の昇圧コイルの２次電圧は、８００Ｖ以上、２ｋＶ以下に設定する（請求項６）。
【００２７】
第７の発明では、上記静電容量の大きいキャパシタの静電容量は、０．５μＦ以上、５μＦ以下に設定する（請求項７）。
【００２８】
第８の発明では、上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の大きいキャパシタを充電する充電電圧を６００Ｖ以下に設定する（請求項８)。
【００２９】
第９の発明では、上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の大きいキャパシタを充電する充電電圧を３５０Ｖ以下に設定する（請求項９）。
【００３０】
第１０の発明では、上記ブレイク放電回路は、少なくとも、電源電圧を昇圧する第２の昇圧コイルと、上記第２の昇圧コイルを開閉駆動する第２の開閉素子とを具備する（請求項１０）。
【００３１】
第１１の発明では、上記燃焼機関の運転状況に応じて点火信号を発生する電子制御装置と、該点火信号に従って、上記第１の開閉素子の開閉を制御する第１の開閉パルスと上記第２の開閉素子の開閉を制御する第２の開閉パルスとを整形する開閉パルス整形装置を具備する（請求項１１）。
【００３２】
第１２の発明では、１０ｋＶ以上、４０ｋＶ以下の高電圧の印加される高電圧領域と、８００Ｖ以上、２．５ｋＶ以下の次高電圧の印加される次高電圧領域と、６００Ｖ以下の次々高電圧領域とを区画せしめる（請求項１２）。
【発明の効果】
【００３３】
第１の発明によれば、上記トリガ放電回路から高電圧が印加される直前に上記瞬時エネルギ供給手段によって瞬間的に上記エネルギ蓄積手段に高いエネルギが蓄積されるので、長時間に渡って、高電圧が上記エネルギ蓄積手段に印加され続けることがない。
【００３４】
したがって、上記トリガ放電回路から高電圧が印加される直前以外の吸気行程や排気行程等では、燃焼室内の絶縁耐圧が低下しても、上記エネルギ蓄積手段に高エネルギが供給されておらず、不正放電が発生しない。
【００３５】
第２の発明によれば、上記第１の開閉素子が開閉駆動されるまでは、上記第１の昇圧コイルの２次側に高電圧が発生せず、上記プラズマ点火プラグには高エネルギが供給されていないので、不正放電が発生することはない。
【００３６】
さらに、上記第１の開閉素子を開閉したときに、上記第１の昇圧コイルの磁界が変化し２次側に高電圧が発生し、上記第１の昇圧コイルに蓄積されたエネルギが上記キャパシタに短い時間で充電される。
【００３７】
上記トリガ放電回路から上記点火プラグに印加され、放電空間の絶縁が破壊されると、これをトリガとして、上記キャパシタに蓄積されたエネルギが大電流となって放電され、上記放電空間内に一気に放出され、プラズマ状態となって上記燃焼機関の燃焼室内に噴射して点火することができる。
【００３８】
本発明のプラズマ式点火装置を、コジェネレーションシステムの点火装置として用いる場合等、比較的搭載スペースに余裕があり、上記第１の昇圧コイル及び上記キャパシタとして、大きな容量のものが使用できる場合には、上記キャパシタは、１つのキャパシタで構成しても良い。
【００３９】
第３の発明によれば、上記複数のキャパシタの内１のキャパシタは、上記第１の昇圧コイルによって昇圧された高電圧によって、点火直前に短期間に充電され、他のキャパシタは、時間をかけて比較的低い電圧によって充電できるので、上記点火プラグに長期に渡って高電圧が印加されず、不正放電が発生する虞がなく、上記トリガ放電回路からの一回のトリガ放電に対して、上記プラズマ放電回路に設けられた複数のキャパシタから段階的に大電流の放電が行われるので、確実にプラズマ抜けを防止できる。
【００４０】
第４発明によれば、上記第１の開閉素子によって上記第１の昇圧コイルを開閉して該コイル内の１次電流に急激な変化を生じさせ、電源電圧を瞬間的に昇圧させて、上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の小さいキャパシタを充電したときに、このキャパシタは小容量であるため、小型の昇圧コイルでも短期間で充電を完了することができる。
【００４１】
さらに、上記ブレイク放電回路からの高電圧の印加によって放電空間内に絶縁を破壊するブレイク放電が生じ、該ブレイク放電をトリガとして上記プラズマ放電回路からの大電流の供給を行う際に、このキャパシタは、第１の昇圧コイルによって昇圧された高電圧で充電されているので、上記相対的に静電容量の小さいキャパシタからの放電が比較的高い放電電圧から開始され、プラズマ抜けが確実に抑制される。
【００４２】
また、上記相対的に静電容量の小さいキャパシタに高電圧が印加されるのは、上記第１の昇圧コイルが開閉駆動された瞬間のみであるため、点火時期とは無関係の不正放電が発生する虞がない。したがって、プラズマ抜けの抑制と不正放電の抑制とを両立した信頼性の高いプラズマ式点火装置が高価で大きな高耐圧大電流スイッチング素子を用いることなく実現できる。
【００４３】
本発明者等の鋭意試験により、上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の小さいキャパシタの静電容量を第５発明に記載した範囲に設定すれば、上記第１の昇圧コイルからの瞬間的に印加される高電圧による充電であっても短時間で上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の小さいキャパシタの充電が完了し、効果的にプラズマ抜けの防止と不正放電の防止ができることが判明した。
【００４４】
本発明者等の鋭意試験により、第６の発明に記載した範囲に上記第１の昇圧コイルの２次電圧に設定すれば、短時間で上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の小さいキャパシタの充電が完了し、効果的にプラズマ抜けの防止と不正放電の防止ができることが判明した。
【００４５】
本発明者等の鋭意試験により、第７の発明に記載した範囲に上記複数のキャパシタの内、相対的に静電容量の大きいキャパシタの静電容量を設定すれば、プラズマ抜けを起こすことなく、上記キャパシタからの放電に引き続き該静電容量の大きいキャパシタから大電流が放出されることが判明した。
【００４６】
第８の発明に記載した範囲に上記充電電圧を設定すれば、上記静電容量の大きいキャパシタの放電電圧は６００Ｖ以下となるので、この電圧が上記点火プラグに常時印加されたとしても不正放電を起こす虞がない。
【００４７】
また、第９の発明に記載の範囲に上記充電電圧を設定すれば、電源電圧を調整する電源調整手段から上記キャパシタへの配送線に対する絶縁設計を低く設定できる。
【００４８】
第１０の発明によれば、上記第２の開閉素子によって上記第２の昇圧コイルを開閉して該コイル内の１次電流に急激な変化を生じさせ、電源電圧を瞬間的に昇圧させて、上記点火プラグに印加することにより、放電空間の絶縁を破壊するブレイク放電を起こすことができ、該ブレイク放電をトリガとして上記プラズマ放電回路からの放電を引き起こすことができる。
【００４９】
第１１発明によれば、上記ブレイク放電回路からの放電タイミングと上記プラズマ放電回路からの放電タイミングとの同期を容易に行うことができるので、プラズマ抜けの抑制と不正放電の抑制とを両立した極めて信頼性に高いプラズマ式点火装置が実現できる。
【００５０】
第１２の発明によれば、より電圧の高い領域を上記点火プラグの可及的近傍に設け、より電圧の低い領域を遠くに設けることにより、段階的に絶縁設計を緩やかにすることができ、プラズマ式点火装置の安全性の向上とさらなる小型化との両立が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の概要を示す等価回路図。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置に用いられる点火プラグの概要を示す一部切り欠き断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の高速回転時におけるタイムチャート。
【図４】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の低速から中速回転時におけるタイムチャート。
【図５】本発明の効果を示すタイムチャート。
【図６】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の絶縁設計要求を模式的に示す断面図。
【図７】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の具体的な構成例を示す断面図。
【図８】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の他の構成例を示す断面図。
【図９】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の他の構成例を示す断面図。
【図１０】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の他の構成例を示す断面図。
【図１１】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の他の構成例を示す断面図。
【図１２】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の他の構成例を示す断面図。
【図１３】本発明の第２の実施形態におけるプラズマ式点火装置の概要を示す等価回路図。
【図１４】本発明の第２の実施形態におけるプラズマ式点火装置のタイムチャート。
【図１５】本発明の第３の実施形態におけるプラズマ式点火装置の概要を示す等価回路図。
【図１６】本発明の第４の実施形態におけるプラズマ式点火装置の概要を示す等価回路図。
【図１７】従来のプラズマ式点火装置の概要を示す等価回路図。
【図１８】従来のプラズマ式点火装置における問題点を示し、（ａ）は、充電電圧が４００ｖ以下の場合のタイムチャート、（ｂ）は、充電電圧が８００ｖ以上の場合のタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
以下に、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置１について図面を参照して説明する。プラズマ式点火装置１は、自動車エンジン等の燃焼機関において燃焼排気中に含まれる環境負荷物質の低減やさらなる燃費の向上のため、燃料の希薄化、高過給化等が図られた難着火性の燃焼機関の点火に好適なものである。
【００５３】
図１は、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置１の概要を示す等価回路図であり、図２は、プラズマ式点火装置１に用いられる点火プラグの典型例として示す点火プラグ１０の概要を示す一部切り欠き断面図である。
【００５４】
図１に示すように、本実施形態におけるプラズマ式点火装置１は、図略の内燃燃焼機関に装着される点火プラグ１０と、電源２０の電圧を昇圧して点火プラグ１０へ高電圧を印加するブレイク放電回路３０と、電源２０からの電気エネルギを蓄積して点火プラグ１０へ大電流として供給するプラズマ放電回路４０と、開閉パルス整形装置としてパルス整形回路５０（以下、ＰＣＵ５０と略す。）と、電子制御装置６０（以下、ＥＣＵ６０と略す。）と、によって構成されている。
【００５５】
ブレイク放電回路３０は、ブレイク放電電圧昇圧コイル３１（以下、コイル３１と略す。）と、コイル３１を開閉制御するブレイク放電電圧昇圧コイル開閉素子３２（以下、スイッチング素子３２と略す。）を含むブレイク放電電圧昇圧コイル駆動回路と、コイル３１の２次電流を整流するブレイク放電整流素子３３（以下、整流素子３３と略す。）と、ノイズ吸収抵抗３４と、によって構成されている。
【００５６】
コイル３１は、少なくとも１次コイルと２次コイルとを具備して昇圧コイルを構成しており、コイル３１の１次コイルの一方の端子は、イグニションキー２１を介して電源２０に接続され、他方の端子は、スイッチング素子３２を介して接地されている。
【００５７】
なお、本実施形態において、コイル３１の１次側には、インダクタンスが１ｍＨ〜１０ｍＨのコイルが用いられ、２次側には、インダクタンスが５Ｈ〜５０Ｈのコイルが用いられている。また、２次コイルは、中心コアの外周に配設された２次スプールの周囲に巻回され、１次コイルは、中心コアの外周に配設された１次スプールの周囲に巻回され、両コイルの外周に外周コアが形成されている。中心コアと外周コアとは、ケイ素鋼板等を積層し所定の形状に加工したものなどが用いられ、閉磁路又は開磁路を形成している。１次スプールと２次スプールとは樹脂等を用いて略筒状に形成されている。
【００５８】
また、コイル３１の２次コイルの一方の端子は、整流素子３３及びノイズ吸収抵抗３４を介して点火プラグ１０に接続され、他方の端子は、１次コイルの電源側端子に接続されている。他方の端子は、図７に示すようにグランドに接続してもよい。
【００５９】
なお、コイル３１の１次コイルには、電源２０の電圧（例えば、１１ｖ）を直接印加する構成としても良いし、コイル３１と電源２０との間に、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電圧調整回路２２（以下、ＤＣ２２と略す。）を設けて、予め昇圧した電圧（例えば、４００Ｖ）を印加する構成としても良い。ＤＣ２２を設けた場合には、昇圧比が小さくなるのでコイル３１を小型化できる。
【００６０】
整流素子３３は、コイル３１の２次電流を整流すると共にプラズマ放電回路４０から放電される電流のコイル３１への逆流を阻止している。ノイズ吸収抵抗３４は、点火時に発生する高周波ノイズを吸収し、外部への漏れを抑制している。
【００６１】
プラズマ放電回路４０は、エネルギ蓄積手段として複数のキャパシタＣ１、Ｃ２の内、相対的に静電容量の小さい第１のキャパシタＣ１（以下、キャパシタＣ１と略す。）と、瞬時エネルギ供給手段として、電源２０の電圧を昇圧してキャパシタＣ１を瞬間的に充電する第１のキャパシタ充電電圧昇圧用コイル４０１（以下、コイル４０１と略す。）と、コイル４０１の開閉を制御するキャパシタ充電電圧昇圧コイル開閉素子４０２（以下、スイッチング素子４０２と略す。）を含むキャパシタ充電電圧昇圧コイル駆動回路と、コイル４０１の２次電流を整流する充電電流整流素子４０３（以下、整流素子４０３と略す。）と、複数のキャパシタＣ１、Ｃ２の内、相対的に静電容量の大きい第２のキャパシタＣ２（以下、キャパシタＣ２と略す。）と、電源２０からの電流を調整してキャパシタＣ２を充電する第２のキャパシタ充電用抵抗４１１（以下、充電抵抗４１１と略す。）と、キャパシタＣ２からの放電電流を整流する第２のキャパシタ放電電流整流素子４１２（以下、整流素子４１２と略す。）と、キャパシタＣ１及びキャパシタＣ２から点火プラグ１０へ流れる電流を整流するプラズマ電流整流素子４３０（以下、整流素子４３０と略す。）と、によって構成されている。
【００６２】
また、後述の図７に示すように、ＥＣＵ６０からのＩＧｔ信号を利用してＤＣ−ＤＣをオンオフ制御する場合、抵抗４１１はなくても良い。
【００６３】
コイル４０１は、少なくとも１次コイルと２次コイルとを具備する昇圧コイルを構成しており、コイル４０１の１次コイルの一方の端子は、イグニションキー２１を介して電源２０に接続され、他方の端子はスイッチング素子４０２を介して接地されている。コイル４０１の２次コイルの一方の端子は、整流素子４０３を介してキャパシタＣ１の一方の端子に接続され、キャパシタＣ１の他方の端子は接地されている。整流素子４０３は、コイル４０１の２次電流を整流すると共に、キャパシタＣ１及びキャパシタＣ２から流れる電流がコイル４０１へ逆流するのを阻止している。コイル４０１の２次コイルの他方の端子は、１次コイルの電源側端子に接続されている。他方の端子は、図７に示すようにグランドに接続してもよい。
【００６４】
なお、本実施形態において、コイル４０１の１次側には、インダクタンスが１ｍＨ〜１０ｍＨのコイルが用いられ、２次側には、インダクタンスが１Ｈ〜５０Ｈのコイルが用いられている。また、２次コイルは、中心コアの外周に配設された２次スプールの周囲に巻回され、１次コイルは、中心コアの外周に配設された１次スプールの周囲に巻回され、両コイルの外周に外周コアが形成されている。中心コアと外周コアとは、ケイ素鋼板等を積層し所定の形状に加工したものなどが用いられ、閉磁路又は開磁路を形成している。１次スプールと２次スプールとは樹脂等を用いて略筒状に形成されている。
【００６５】
キャパシタＣ２の一方の端子と電源２０との間には充電抵抗４１１及び電源２０の電圧を昇圧してキャパシタＣ２に印加するＤＣ２２が介装され、他方の端子は接地されている。キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とは、整流素子４１２を介して並列に接続され、さらに、キャパシタＣ１の下流側には、整流素子４３０を介して、点火プラグ１０が接続されている。
【００６６】
整流素子４１２は、キャパシタＣ２から放電される電流を整流すると共に、ブレイク放電回路３０、キャパシタＣ１及びコイル４０１から放電される電流がキャパシタＣ２へ逆流するのを阻止している。整流素子４３０は、キャパシタＣ１及びキャパシタＣ２から放電される電流を整流すると共に、ブレイク放電回路３０から発生するブレイク用の高電圧（４０ｋＶ以下）がプラズマ放電回路４０内へ印加されるのを阻止している。
【００６７】
本発明において、キャパシタＣ１には、例えば、耐圧が２．５ｋＶで、静電容量が０．００１μＦ以上０．１μＦ以下の比較的小さい容量のキャパシタが用いられ、８００Ｖ以上１．３ｋＶ以下の高電圧で充電されており、キャパシタＣ２には、耐圧が１ｋＶで、静電容量が０．５μＦ以上５μＦ以下の比較的大きい容量のキャパシタを用いられ、６００Ｖ以下の比較的低い電圧で充電されている。また、コイル３１からは、例えば、３５ｍＪの放電エネルギが放出され、コイル４０１からは、例えば、３５ｍＪの放電エネルギが放出される。
【００６８】
また、車載を考慮した場合は、搭載スペースが限られており、本実施形態のように、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２との静電容量に差を設けるのが望ましいが、本発明のプラズマ式点火装置１をコジェネレーションシステム等の比較的搭載スペースに余裕がある燃焼機関に用いる場合には、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とを同じ静電容量に設定しても良い。
【００６９】
スイッチング素子３２とスイッチング素子４０２とには、コイル３１及びコイル４０１の１次側に流れる電流量や、要求される応答特性によってＳＣＲ（サイリスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物電界効果トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の開閉素子が適宜用いられている。また、スイッチング素子３２とスイッチング素子４０２とは、それぞれコイル３１とコイル４０１との１次側に設けられるので、比較的低い耐電圧のものを使用することができる。なお、本実施形態においては、スイッチング素子３２のアノード又はコレクタ若しくはドレインがコイル３１の１次側に接続され、スイッチング素子３２のカソード又はエミッタ若しくはソースが接地側に接続され、スイッチング素子４０２のアノード又はコレクタ若しくはドレインがコイル４０１の１次側に接続され、スイッチング素子４０２のカソード又はエミッタ若しくはソースが接地側に接続されている。
【００７０】
整流素子３３、整流素子４０３、整流素子４１２、整流素子４３０には、ダイオード等の整流素子が適宜用いられている。特に、大電流の流れる整流素子４１２、整流素子４３０には、ＳｉＣ半導体等のワイドバンドギャップ型半導体を用いたパワーダイオードを用いるのが良い。
【００７１】
なお、本実施形態においては、中心電極の消耗を抑制すべく、整流素子３３、整流素子４０３、整流素子４１２、整流素子４３０の整流方向を、点火プラグ１０の中心電極側が陽極となり接地電極側が陰極となるように配設した例を示したが、使用する点火プラグ１０の形態や燃焼機関の種類等によっては、整流素子３３、整流素子４０３、整流素子４１２、整流素子４３０の整流方向を中心電極側が陰極となり接地電極側が陽極となるように配設した構成としても良い。
【００７２】
スイッチング素子３２を開閉駆動する制御端子とスイッチング素子４０２を開閉駆動する制御端子とは、それぞれＰＣＵ５０に接続されている。
【００７３】
ＰＣＵ５０は、ＥＣＵ６０から燃焼機関の運転状況に応じて発生された点火信号ＩＧｔに従って、所定のタイミングでスイッチング素子３２の開閉とスイッチング素子４０２の開閉とを制御すべく、スイッチング素子３２の開閉を制御するブレイク放電電圧昇圧コイル開閉信号ＳＷ１（以下、開閉信号ＳＷ１と略す。）及びスイッチング素子４０２の開閉を制御するキャパシタ充電電圧昇圧コイル開閉信号ＳＷ２（以下、開閉信号ＳＷ２と略す。）を適正なパルス波形に整形して発生する。
【００７４】
ここで、図２を参照して、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置１に用いられる点火プラグとして典型的な構造の点火プラグ１０について簡単に説明する。なお、本発明は、上述のブレイク放電回路３０とプラズマ放電回路４０とこれらを制御するパルス整形回路５０とに特徴を有し、本実施形態における点火プラグ１０のように、点火プラグ内に放電空間を設けた場合に、特に顕著な効果を発揮するものであるが、本発明のプラズマ式点火装置に適用し得る点火プラグは、以下に説明する点火プラグ１０の構造に限定するものではなく、適宜変更し得るものである。
【００７５】
本実施形態において、点火プラグ１０は、導電性金属材料からなる長軸状に伸びる中心電極１１と、中心電極１１の外周を覆う略筒状の絶縁体１２と絶縁体１２を覆う略筒状の金属からなるハウジング１３とハウジング１３の先端に連なる略環状の接地電極１３０とによって構成されている。
【００７６】
中心電極１１の先端側には、例えばイリジウム、イリジウム合金等の耐熱性導電性材料によって細軸状に形成された中心電極放電部１１０が設けられ、中心電極放電部１１０は、鉄鋼材料、銅等の良電導性で高熱伝導性の金属材料からなる中心電極中軸部１１２と接続されている。中心電極中軸部１１２の基端側には、プラズマ電源２０に接続される中心電極ターミナル部１１３が形成されている。
【００７７】
絶縁体１２は、耐熱性、機械的強度、高温における絶縁耐力、熱伝導率などに優れた高純度のアルミナ等からなり、中心電極１１の外周を覆いつつ、先端側には、中心電極放電部１１０の先端から下方に向かって伸びる筒状の絶縁体基部１２０が形成され、中腹にはハウジング１３の内側に係止し、ハウジング１３によって加締め固定される径大部１２１が形成され、基端側には、コルゲート状の絶縁体頭部１２２が形成され、中心電極ターミナル部１１３とハウジング１３との電気絶縁性を確保している。絶縁体基部１２０の内側は、放電空間１４０が形成され、中心電極放電部１１０と接地電極１３０とからなる電極対間で放電可能となっている。
【００７８】
ハウジング１３は、略筒状のハウジング基部１３２が形成され、絶縁体基部１２０を覆っている。ハウジング基部１３２の外周には内燃燃焼機関４０に螺結するためのネジ部１３３が形成され、基端側には、絶縁体径大部１２１を保持する係止部１３６が形成され、さらにハウジング１３の基端側外周には、ネジ部１３３をネジ締めするための六角部１３４が形成されている。絶縁体径大部１２１は、加締め部１３５によって封止部材等を介して加締め固定されている。
【００７９】
接地電極１３０は、放電空間１４０に連通する接地電極開口部１３１を有す略環状に形成されている。接地電極１３０を含むハウジング１３は、ニッケル、鉄等の金属材料によって形成されている。点火プラグ１０は、図略の燃焼機関７０の燃焼室７００内に接地電極開口部１３１が開口するようにシリンダヘッド７０１に装着されると共に、接地電極１３０がシリンダヘッド７０１に電気的に接地された状態となっている。
【００８０】
以下に、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置１の作動並びに本発明の効果について図３〜４を参照して説明する。
【００８１】
本発明のプラズマ式点火装置１を自動車エンジン等の燃焼機関７０に用いた場合において、図３は、燃焼機関７０が高速回転（例えば、７２００ｒｐｍ）で運転されているときのタイミングチャートを示し、図４は、燃焼機関７０が低速から中速回転（例えば、１２００ｒｐｍ）で運転されているときのタイミングチャートを示し、図５は、本発明の効果を示すタイミングチャートである。なお、各図に示したタイミングチャートは特徴を模式的に示したものであり、横軸と縦軸とは共にリニアなものではない。
【００８２】
図３及び図４において、（ａ）は、ＥＣＵ６０から発生される点火信号ＩＧｔを示し、（ｂ）は、開閉信号ＳＷ１の開閉時期を示し、（ｃ）は、コイル３１の１次電流Ｉｐｒの変化を示し、（ｄ）は、スイッチング素子３２の開閉により発生するコイル３１の１次電圧Ｖｐｒの変化を示し、（ｅ）は、スイッチング素子３２の開閉により発生するコイル３１の２次電圧Ｖｓｃの変化を示し、（ｆ）は、開閉信号ＳＷ２の開閉時期を示し、（ｇ）は、コイル４０１の１次電流Ｉｐｒ４０１の変化を示し、（ｈ）は、スイッチング素子４０２の開閉により発生するコイル４０１の１次電圧Ｖｐｒ４０１の変化を示し、（ｉ）は、スイッチング素子４０２の開閉により発生するコイル４０１の２次電圧であってキャパシタＣ１を充電する充電電圧ＶＣ１の変化を示し、（ｊ）は、キャパシタＣ２を充電する充電電圧ＶＣ２の変化を示す。
【００８３】
イグニションキー２１が閉じられ、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、燃焼機関の運転状況に応じてＥＣＵ６０から点火信号ＩＧｔが発生され、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、点火信号ＩＧｔに従ってパルス整形回路５０によって所定のタイミングに調整された開閉信号ＳＷ１がスイッチング素子３２に印加され、図３（ｃ）及び図４（ｃ）に示すように、開閉信号ＳＷ１がＯＮとなると、電源２０から１次電流Ｉｐｒが流れコイル３１に磁気エネルギが蓄積される。なお、本実施形態において、コイル３１の１次コイルの充電には例えば２．２ｍｓ程度の時間を要す。
【００８４】
次いで、図３（ｄ）及び図４（ｄ）に示すように、開閉信号ＳＷ１に従ってスイッチング素子３２がＯＦＦとなりコイル３１内の１次電流が変化すると、コイル３１の１次側コイルには、＋数百Ｖ程度の１次電圧Ｖｐｒが発生し、図３（ｅ）及び図４（ｅ）に示すように、コイル３１の２次側コイルには、１０ｋＶ以上,４０ｋＶ以下の高い２次電圧Ｖｓｃが発生する。この２次電圧Ｖｓｃが、点火プラグ１０の放電空間に対向する電極対間の絶縁耐圧を超えると放電空間の絶縁が破壊されブレイク放電が発生する。
【００８５】
一方、図３（ｆ）及び図４（ｆ）に示すように、点火信号ＩＧｔに従ってＰＣＵ５０によって所定のタイミングに調整された開閉信号ＳＷ２がスイッチング素子４０２に印加され、図３（ｇ）及び図４（ｇ）に示すように、開閉信号ＳＷ２がＯＮとなると、電源２０からＤＣ２２を介して１次電流Ｉｐｒ４０１が流れ、コイル４０１に磁気エネルギが蓄積される。なお、本実施形態において、コイル４０１の１次コイルの充電には、例えば、１．４ｍｓ程度の時間を要する。
【００８６】
さらに、図３（ｈ）及び図４（ｈ）に示すように、開閉信号ＳＷ２に従ってスイッチング素子４０２がＯＦＦとなりコイル４０１内の１次電流が急変すると、コイル４０１の１次側コイルには、＋数百Ｖ程度の１次電圧Ｖｐｒ４０１が発生し、コイル４０１の２次側コイルには、８００Ｖ以上２ｋＶ以下の高い２次電圧Ｖｓｃ４０１が発生する。図３（ｉ）及び図４（ｉ）に示すように、この２次電圧Ｖｓｃ４０１によってキャパシタＣ１が充電される。キャパシタＣ１に耐圧が高く静電容量の小さいものを用いて、コイル４０１で昇圧された高い２次電圧Ｖｓｃ４０１によって充電することによって、キャパシタＣ１の充電電圧ＶＣ１は、例えば、０．８ｍｓ程の短い時間で１．３ｋＶ程度まで上昇できることが判明した。
【００８７】
一方、キャパシタＣ２には、電源２０からＤＣ２２を介して数百Ｖ程度の電圧が印加されており、図３（ｊ）及び図４（ｊ）に示すように、例えば１６ｍｓ程度の時間で充電が完了し、充電電圧ＶＣ２は、一定となる。
【００８８】
なお、図３に示すように、例えば、燃焼機関が７２００ｒｐｍの高速回転で運転されている場合でも、１６．７ｍｓの点火周期に対して、キャパシタＣ２の充電は１６ｍｓ程度で完了するのでキャパシタＣ２からの放電時に充電電圧が不足することはない。また、図４に示すように、例えば、燃焼機関が１２００ｒｐｍの低速回転で運転されている場合でも、キャパシタＣ２の充電は１６ｍｓ程度で完了し、その後は、一定電圧に維持される。
【００８９】
図５（ａ）は、横軸（時間軸）を拡大して表したコイル３１の２次電圧Ｖｓｃの変化を示し、（ｂ）は、横軸（時間軸）を拡大して表したキャパシタＣ１の充電電圧ＶＣ１の詳細な変化を示し、（ｃ）は、横軸（時間軸）を拡大して表したキャパシタＣ２の充電電圧ＶＣ２の詳細な変化を示し、（ｄ）は、横軸（時間軸）を拡大して表したプラズマ放電電流ＩＰＬの変化を示し、（ｅ）は、１周期に対応する点火信号ＩＧｔを示し、（ｆ）は、１周期に対応するプラズマ放電電流ＩＰＬの変化を示し、（ｇ）は、燃焼圧ＰＣＹＬの変化を示す。
【００９０】
図５に示すように、開閉信号ＳＷ１がＯＦＦとなり、コイル３１で発生した高い２次電圧Ｖｓｃが点火プラグ１０に印加される直前に開閉信号ＳＷ２がＯＦＦとなり、コイル４０１に発生した高い２次電圧ＶＣ１によってキャパシタＣ１が瞬時（例えば、０．８ｍｓ）に充電され、キャパシタＣ２は、比較的低い充電電圧ＶＣ２（例えば、６００Ｖ）で充電されているので、高電圧が印加されるのは開閉信号ＳＷ２がＯＦＦとなり開閉信号ＳＷ１がＯＦＦとなる直前の極短い期間と開閉信号ＳＷ１がＯＦＦとなった瞬間の極限られた燃焼機関のみであり、図５（ｆ）に示すように、燃焼圧ＰＣＹＬが低くなっても不正放電を起こす虞がない。
【００９１】
また、開閉信号ＳＷ１がＯＦＦとなり、コイル３１で発生した高い２次電圧Ｖｓｃが点火プラグ１０に印加され絶縁が破壊されると、ブレイク放電が開始され、点火プラグ１０の中心電極１１と接地電極１３０との間の電圧がキャパシタＣ１の充電電圧ＶＣ１以下となった瞬間に、キャパシタＣ１から放電が開始され、放電空間１４０内の気体が励起され、さらにキャパシタＣ２の充電電圧ＶＣ２以下になるとキャパシタＣ２から大きな電流が流れ、放電空間１４０内の気体が重畳的に高温・高圧のプラズマ状態となって燃焼室内に噴射され燃焼機関の点火が行われる。
【００９２】
この時、従来のように、１００ｍＡ程度の低い放電電流のブレイク放電に次いで、プラズマ放電回路４０ｚから一気に１００Ａ程の大電流を流すのではなく、図５（ｄ）に示すように、コイル３１からのブレイク放電に引き続き、キャパシタＣ１から高い充電電圧ＶＣ１からの放電により５０Ａ程度のプラズマ電流ＩＰＬを流がして放電経路を維持し、さらに引き続いてキャパシタＣ２からの低い充電電圧ＶＣ２からの放電により１２０Ａ程度の大電流を流すことにより、比較的高い電位でプラズマ放電回路４０からのプラズマ電流ＩＰＬの放電が開始され、キャパシタＣ１からブレイク放電の電流より大きな電流が流れることで、負性抵抗をもつプラグの電極間電圧が下がり、低い電圧に充電したキャパシタＣ２から安定した電流を流すことができるので、プラズマ抜けを起こすことなく放電経路が維持される。
【００９３】
また、コイル４０１の高い２次電圧Ｖｓｃ４０１は、ブレイク放電回路３０からのブレイク放電がなされる直前の特定の期間にのみ発生し、コイル４０１の２次電圧Ｖｓｃ４０１が直接点火プラグ１０に印加されても、この期間においては、中心電極と接地電極との間の絶縁耐圧が十分高いので、これによって不正放電が発生することはなく、キャパシタＣ１の充電にのみ用いられる。
【００９４】
本発明の最大の特徴は、プラズマ放電回路４０に設けられた複数のキャパシタＣ１、Ｃ２の内、高電圧、小容量のキャパシタＣ１を、スイッチング素子４０２を開閉してコイル４０１によって昇圧した高電圧を用いて、点火の直前に短期間で充電することにより、不正放電を気にすることなくキャパシタＣ１の電圧を上げることができ、キャパシタンスＣ１からの放電電流によりプラグの電極間電圧が低下するため低電圧大容量のキャパシタから安定したプラズマ電流を供給でき、プラズマ抜けを抑制すると共に、点火プラグ１０に高電圧が印加される期間を限定して不正放電を抑制する点にある。
【００９５】
なお、上述の説明において、開閉信号ＳＷ１と開閉信号ＳＷ２とが同時にＯＮとなる例を示したが、本発明は、必ずしも開閉信号ＳＷ１と開閉信号ＳＷ２との開始時期を同じにする必要はなく、開閉信号ＳＷ２をＯＦＦするタイミングも上述の説明において例示した期間に限定するものでもない。
【００９６】
本発明を実現するためには、点火信号ＩＧｔによってブレイク放電が開始される直前に、開閉信号ＳＷ２に従って駆動されるコイル４０１によって昇圧された高電圧によってキャパシタＣ１の充電が完了するタイミングであれば良く、コイル３１の１次コイルの充電に要する時間、コイル４０１の１次コイルの充電に要する時間、キャパシタＣ１の充電に要する時間や、スイッチング素子３２の特性、スイッチング素子４０２の特性や、適用される燃焼機関の種類、大きさ等によって適宜変更し得るものである。
【００９７】
以下に、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置１のより具体的な構造と小型化に寄与する本発明の効果ついて説明する。
【００９８】
図６に示すように、本発明のプラズマ式点火装置１の適用される燃焼機関７０は、シリンダヘッド７０１と略筒状のシリンダ７０２とシリンダ７０２内を昇降するピストン７４０とによって燃焼室７００が区画されており、シリンダヘッド７０１には、吸気筒７１０と排気筒７２０とが設けられ、吸気筒７１０は、吸気バルブ７１１によって開閉されており、排気筒７２０は、排気バルブ７２１によって開閉され、シリンダヘッド７０１に設けられたプラグホール７３０内に点火プラグ１０が載置されている。
【００９９】
また、図６に示すように、本発明のプラズマ式点火装置１は、最大４０ｋＶの高電圧に対する耐圧を必要とする高電圧領域Ａ１と、最大２．５ｋＶ以下の高電圧に対する耐圧を必要とする次高電圧領域Ａ２と、最大６００Ｖ程度の高電圧に対する耐圧を必要とする次々高電圧領域Ａ３とに大別されている。
【０１００】
より高い電圧の印加される各構成部品と点火プラグ１０との距離を可及的に短くするように配設して、印加される電圧に応じて絶縁対策を施す領域を区画することによって、段階的に絶縁設計を緩やかにすることができ、プラズマ式点火装置の安全性の向上とさらなる小型化との両立が可能となる。
【０１０１】
本実施形態におけるプラズマ式点火装置１は、図１に等価回路で示した各回路を構成する部品を、図７に示すように、燃焼機関７０のプラグホール７３０内に載置・固定された略筒状のハウジング部５２０とハウジング部５２０に連結してプラグホール７３０の外側に設けられた頭部筐体５１０と頭部筐体５１０に接続された電源調整部筐体２３とに適宜振り分けて載置されている。
【０１０２】
ハウジング部５２０は、略筒状に形成され、基端側外周には、ネジ部５２１が形成されている。ハウジング部５２０は、ネジ部５２１を介して、シリンダヘッド７０１に螺結固定されると共にシリンダヘット７０１をグランドとして、電気的に接地された状態となっている。
ハウジング部５２０の先端側には、絶縁性弾性部材を略筒状に形成したプラグキャップ５２２が設けられている。プラグキャップ５２２は、燃焼機関７０のシリンダヘッド７０１に装着された点火プラグ１０の絶縁体頭部１２２を覆うように嵌着されている。
【０１０３】
ハウジング部５２０内には、高電圧領域Ａ１として、最大４０ｋＶの高電圧に対する絶縁対策が施された状態で、コイル３１と整流素子３３とノイズ吸収抵抗３４と整流素子４３０とが載置され、プラグキャップ５２２内で中心電極１１との導通が図られている。
【０１０４】
なお、ハウジング部５２０は、高電圧領域Ａ１としての絶縁性が確保されれば、ステンレス等の金属を略筒状の形成したものを用いても良いし、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の絶縁性熱可塑性樹脂等を用いて略筒状に形成し、その表面の一部に金属メッキを施したり、接地端子を設けたりする等して、シリンダヘッド７０１との接地を図ったものを用いても良い。
【０１０５】
ハウジング部５２０内にコイル３１を載置することによって１０ｋＶ〜４０ｋＶの高電圧が印加されるコイル３１の２次コイルから点火プラグ１０までの配送線の距離を最短とすることができる。
【０１０６】
頭部筐体部５１０内には、次高電圧領域Ａ２として、最大２ｋＶの高電圧に対する絶縁対策が施された状態で、コイル４０１、キャパシタＣ１、スイッチング素子３２、スイッチング素子４０２、整流素子４０３、整流素子４１２が載置されている。
【０１０７】
頭部筐体５１０は、ハウジング部５２０に連結されているのでハウジング部５２０を介してシリンダヘッド７０１と接地状態となっている。
スイッチング素子３２、スイッチング素子４０２、コイル３１及びコイル４０１の２次側コイル、キャパシタＣ１は、適宜、頭部筐体５１０を介してシリンダヘッド７０１に接地された状態となっている。
【０１０８】
なお、頭部筐体５１０は、次高電圧領域Ａ２としての絶縁性が確保されれば、金属を函状に形成したものを用いても良いし、ＰＢＴ等の絶縁性熱可塑性樹脂等を用いて函状に形成し、その表面の一部に金属メッキを施したり、接地端子を設けたりする等して、ハウジング部５２０を介してシリンダヘッド７０１との接地を図ったものを用いても良い。
【０１０９】
さらに、頭部筐体５１０内にコイル４０１及びキャパシタＣ１を載置することにより２ｋＶ以下の次高電圧領域Ａ２と点火プラグ１０との距離を高電圧領域Ａ１に次いで短くすることができる。
【０１１０】
また、本発明では、高い電圧で短期間にキャパシタＣ１を充電することを特徴としており、従来の常時高電圧を印加してプラズマ放電用のキャパシタを充電する場合に比べて次高電圧領域Ａ２に対する絶縁設計要求を低く設定することができる。
【０１１１】
ＰＣＵ５０は頭部筐体５１０に設けられたコネクタ５１１を介して外部に設けられたＥＣＵ６０に接続されＥＣＵ６０から発生された点火信号ＩＧｔによって制御されている。
【０１１２】
電源調整部筐体２３内には、次々高電圧領域Ａ３として、６００Ｖ以下の高電圧に対する絶縁対策が施された状態で、ＤＣ２２、キャパシタＣ２が載置されている。
また、電源調整部筐体２３内に、複数気筒に対応したＤＣ−ＤＣやキャパシタＣ２をまとめて設置してもよい。
【０１１３】
ＤＣ２２からキャパシタＣ２に印加される充電電圧ＶＣ２を３５０Ｖ以下に設定すれば、部分放電が起こり難くなるので、電源調整部筐体２３と頭部筐体５１０との間を繋ぐ配送線に対して絶縁設計要求を低く設定することができる。
ＤＣ２２の巻線の耐圧も部分放電を気にすることなく下げることができる。
【０１１４】
図８を参照して、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置１の変形例としてプラズマ式点火装置１ａについて説明する。なお、上記実施形態と同一の部分につては同じ符号を付したので説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
【０１１５】
本実施形態においては、コイル３１の２次コイルから点火プラグ１０までを繋ぐブレイク放電電流配送線、整流素子３３、ノイズ吸収抵抗３４、キャパシタＣ１から点火プラグ１０までを繋ぐプラズマ電流配送線、整流素子４３０をハウジング部５２０ａ内に載置し、コイル３１を頭部筐体５１０ａ内に載置した点が図７に示したプラズマ式点火装置１と相違する。コイル３１を頭部筐体５１０ａ内に載置することにより、高電圧に対する絶縁性を維持したまま、ハウジング部５２０ａを細径とすることができるので細径のプラグホール７３０ａにも対応できる。また、コイル３１のコアとコイル４０１のコアとを閉磁路化することにより磁気干渉を抑制することも可能となる。
【０１１６】
また、上記実施形態においては、ハウジング部５２０にネジ部５２１を設けてエンジンヘッド７１に螺結固定した例を示したが、本図に示すように、頭部筐体５１０ａに鍔部５２１ａを設けて、この鍔部５２１ａをネジ止めによりエンジンヘッド７１へ固定しても良い。
【０１１７】
図９を参照して、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置１の他の変形例としてプラズマ式点火装置１ｂについて説明する。十分な搭載スペースを有するプラグホール７３０ｂに対しては、コイル３１とコイル４０１との両方をハウジング部５２０ｂ内に載置する構成としても良い。
【０１１８】
このような構成とすることにより、頭部筐体５１０ｂのサイズを小型化でき、エンジンへの搭載性を良好にできる。  
【０１１９】
図１０を参照して、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置１の他の変形例としてプラズマ式点火装置１ｃについて説明する。本実施形態においては、キャパシタＣ２を頭部筐体５１０ｃ内に載置してある。キャパシタＣ１とキャパシタＣ２との両方が頭部筐体５１０ｃ内に載置されているため、点火プラグ１０間との距離が一定であるため、電源調整部筐体２３の搭載位置によらずプラズマ放電電流ＩＰＬが一定となり、より安定した点火が期待できる。
【０１２０】
図１１を参照して、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置１の他の変形例としてプラズマ式点火装置１ｄについて説明する。本実施形態においては、ＰＣＵ５０を頭部筐体５１０ｄの外に配設した構成となっている。
【０１２１】
本実施形態においては、外部に設けたＰＣＵ５０と頭部筐体５１０ｄ内に載置したスイッチング素子３２及びスイッチング素子４０２とは、コネクタ５１１ｄを介して接続されている。スイッチング素子、整流素子、キャパシタ等の回路部品を集積回路ではなく単機能素子で構成すると安定した品質の標準品を使用することができるが、制御回路の体格が大きくなるのでＰＣＵ５０を頭部筐体５１０から出すことによって頭部筐体５１０の体格を小さくできる。
【０１２２】
また、ＰＣＵ５０内に流れるのは制御信号のみであるので、ＰＣＵ５０を電源部筐体２３内やＥＣＵ６０内に載置した構成としても良い。
【０１２３】
例えば、ＥＣＵ６０内に設けたマイクロコンピュータから開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２を発生させると、わずかな素子の追加で、ＥＣＵ６０からスイッチング素子３２、４０２を独立してオンオフ制御できる。
【０１２４】
上記実施形態のように車載を考慮した場合は、搭載スペースが限られているので、絶縁設計要求を段階的に変えることにより、不正放電とプラズマ抜けとを防止しつつ、プラズマ式点火装置の小型化を実現可能とした。
【０１２５】
本発明のプラズマ式点火装置１ｅをコジェネレーションシステム等の比較的搭載スペースに余裕がある燃焼機関に用いる場合には、図１２に示すように、ＤＣ２２、トリガ放電回路３０、プラズマ放電回路４０、ＰＣＵ５０を一体的に頭部筐体５１０ｅ内に載置しても良い。このような構成とすることにより、ノイズの低減効果をさらに向上させ、安定した点火を実現可能なプラズマ式点火装置が実現できる。
【０１２６】
以下に、本発明の第２の実施形態におけるプラズマ式点火装置１ｆについて図１３及び図１４を参照して説明する。図１３に示すように、本実施形態におけるブレイク放電回路３０ｆは、ＣＤＩユニットと、コイル３１と、ダイオード等の整流素子３３と、ノイズ吸収抵抗３４とによって構成されている。
【０１２７】
ＣＤＩユニットは、ＤＣ―ＤＣコンバータ３６０と、スイッチング素子３２ｆと、ＣＤＩキャパシタ３５０と、整流素子３５１とによって構成されている。コイル３１の１次コイルの一方の端子は、ＣＤＩユニットの出力端子に接続され、他方の端子は接地されている。コイル３１の２次コイルの一方の端子は整流素子３３とノイズ吸収抵抗３４とを介して点火プラグ１０に接続されており、２次コイルの他方の端子は接地されている。
【０１２８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３６０は、キャパシタ３６３と、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子３６２とコイル３６１と整流素子３６４とによって構成されている。
【０１２９】
本発明の第１の実施施形態においては、ブレイク放電回路３０として、トランジスタ等のスイッチング素子３２によってコイル３１内の１次コイルに電流変化を与えて２次コイルに高電圧を発生させる誘導放電（Ｔｒａｎｇｉｓｔｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ、ＴＣＩ）型の構成を示したが、本実施形態においては、ブレイク放電回路３０ｆとしてＣＤＩキャパシタに充電した電荷を昇圧コイル３１の１次コイルに放電することによってコイル３１内に急激な磁束変化を与えて２次コイルに高電圧を発生させる容量放電（Ｃａｐａｃｉｔｙ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ、ＣＤＩ）型の構成とした点が相違する。
【０１３０】
さらに本実施形態においては、ＣＤＩキャパシタに充電する電荷を電源２０からＤＣ−ＤＣコンバータ３６０を用いて昇圧して印加している。このような構成とすることにより、ブレイク放電時の放電時間を短くしつつ放電電流を大きくすることができる。
【０１３１】
また、本実施形態において、プラズマ放電回路４０ｆは、電源電圧を昇圧する昇圧コイル４０１と、昇圧コイル４０１を開閉するスイッチング素子４０２ｆと、昇圧コイル４０１からの放電電流を整流する整流素子４０３と、昇圧コイル４０１からの放電電流によって充電されるキャパシタＣ１と、電源２０からの電圧を昇圧・調整するＤＣ−ＤＣコンバータ４１０ｆと、ＤＣ―ＤＣコンバータ４１０ｆの２次電圧によって充電されるキャパシタＣ２と、キャパシタＣ２からの電流を整流する整流素子４１２と、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とから放電されるプラズマ電流を整流する整流素子４３０と、によって構成されている。
【０１３２】
さらに、ブレイク放電回路３０ｆに設けられたスイッチング素子３２ｆを制御する開閉信号ＳＷ１とスイッチング素子を制御する開閉信号ＳＷ３と、プラズマ放電回路４０ｆに設けられたスイッチング素子４０２ｆを制御する開閉信号ＳＷ２とスイッチング素子４１５を制御する開閉信号ＳＷ４とを一括してＰＣＵ５０ｆから発生している。
【０１３３】
図１４（ａ）は、点火信号ＩＧｔを示し、（ｂ）は、開閉信号ＳＷ３の変化を示し、（ｃ）は、キャパシタ３５０の両端電圧の変化を示し、（ｄ）は、開閉信号ＳＷ１の変化を示し、（ｅ）は、開閉信号ＳＷ２の変化を示し、（ｆ）は、コイル４０１の１次電流Ｉｐｒ４０１の変化を示し、（ｇ）は、充電電圧ＶＣ１の変化を示し、（ｈ）は、開閉信号ＳＷ４の変化を示し、（ｉ）は、キャパシタＣ２を充電する充電電圧ＶＣ２の変化を示す。
【０１３４】
図１４に示すように、点火信号ＩＧｔに従って、ＰＣＵ５０から発生された開閉信号ＳＷ１に従ってスイッチング素子３２ｆが開閉され、コイル３１内の磁束が変化し、コイル３１の２次コイルに高電圧が発生し、該高電圧の発生までに、キャパシタＣ１の高速充電を完了すべく、点火信号ＩＧｔの遮断される直前にＳＷ２が開閉されている。本実施形態においても上記実施形態と同様に、不正放電の抑制とプラズマ抜けの抑制との両立を図ることができる。
【０１３５】
上記実施形態においては、ＰＣＵ５０において、開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２を形成する例を示したが、ＥＣＵ６０内において、点火信号ＩＧｔを発振することなく直接開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２を形成しても良い。
【０１３６】
上記実施形態に示すように、ＰＣＵ５０において、点火信号ＩＧｔに基づいて開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２を形成すると、点火信号ＩＧｔ及び開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２を電源電圧補正する必要がある。しかし、ＰＣＵ５０がＥＣＵ６０の外に設けられると、検出する電源電圧の差によって、補正量が変わり、開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２の立ち下がりの時間差ｔを一定に維持できない虞がある。
【０１３７】
ＥＣＵ６０から直接開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２を発振することにより、容易に開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２の立ち下がりの時間差ｔを一定とすることができる。
【０１３８】
しかし、ＥＣＵ６０から開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２を発振するためには、ＥＣＵ６０とＰＣＵ５０とを繋ぐ配線は、上記実施形態では１回線で良かったが、２回線必要となり、コストの増加を招く虞がある。そこで、本発明の第３の実施形態におけるプラズマ式点火装置１ｇを提案する。
【０１３９】
図１５を参照して、本発明の第３の実施形態におけるプラズマ式点火装置１ｇについて説明する。上記実施形態においては、ＥＣＵ６０から発振された点火信号ＩＧｔに基づいて、ＰＣＵ５０において、所定のタイミングで開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２を発振して、トリガ放電電圧の印加とプラズマ電流の放出とを制御した例を示したが、本実施形態においては、ＥＣＵ６０ｇから、点火信号ＩＧｔの立ち下がりよりも所定の時間ｔ１だけ短い時間に立ち下がる第２の点火信号ＩＧｔ’を発振し、第２の点火信号ＩＧｔ’の立ち下がりから所定時間ｔ１後に点火が実施される構成となっている。
【０１４０】
第２の点火信号ＩＧｔ’を受けたＰＣＵ５０ｇでは、第２の点火信号ＩＧｔ’と同じタイミングで開閉信号ＳＷ２を形成し、開閉信号ＳＷ１は、第２の点火信号ＩＧｔ’又は、開閉信号ＳＷ２の立ち下がりから所定時間ｔ１だけ遅れて立ち下がるようにして形成する。
【０１４１】
上記実施形態においては、電源電圧の変動により、点火信号ＩＧｔの立ち上がり時期が進角側になったり遅角側になったりするので、開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２の立ち上がり時期との間にズレが生じる虞があり、電源電圧変動補正をＩＧｔと開閉信号ＳＷ１、ＳＷ２の全てに実施する必要があり、補正の為の演算処理が複雑になり、運転状況によってタイミングズレが生じる虞がある。
【０１４２】
本実施形態のように、第２の点火信号ＩＧｔ’を形成し、電源電圧変動補正を第２の点火信号ＩＧｔ’に対してするだけで、開閉信号ＳＷ１と開閉信号ＳＷ２とを個別に電源電圧補正せずとも、自ら補正され、開閉信号ＳＷ１の立ち下がりと開閉信号ＳＷ２の立ち下がりとの差ｔ１を一定にできる。このため、所定時間ｔ１が短くなってもキャパシタＣ１の充電電圧が低下することがなく、安定した点火を実現できる。
【０１４３】
図１６を参照して、本発明の第４の実施形態におけるプラズマ式点火装置１ｈについて説明する。
【０１４４】
上記実施形態においては、車載を考慮して、プラズマ放電回路４０に載置するキャパシタの容量を小さくするために、１以上のキャパシタＣ１、Ｃ２を用いたが、コジェネレーションシステム等搭載性を考慮する必要がなく、第１の昇圧コイル４０１ｈ及びキャパシタＣ１ｈの容量を十分大きくすることが可能な場合、図１６に示すように、キャパシタＣ１ｈを１つだけで構成しても良い。
【０１４５】
本発明は上記実施形態に限定するものではなく、点火プラグと、電源電圧を放電空間の絶縁耐圧以上に昇圧して点火プラグに印加するブレイク放電回路と、ブレイク放電をトリガとして大電流を供給するプラズマ放電回路とを具備するプラズマ式点火装置において、プラズマ放電回路を昇圧コイルによって発生した高電圧によって短時間に充電される小容量の第１のキャパシタと低電圧で充電される大容量の第２のキャパシタとによって構成して、不正放電の抑制とプラズマ抜けの抑制との両立を図る本発明の趣旨に反しない限りにおいて適宜変更し得るものである。
【産業上の利用可能性】
【０１４６】
本発明のプラズマ式点火装置は、静電容量の異なるプラズマ電流供給用キャパシタを複数設け、さらに、静電容量の小さなキャパシタをスイッチング素子の開閉により高電圧を瞬時に発生する電磁誘導型の昇圧コイルを用いて極短時間で充電し、静電容量の大きなキャパシタを比較的低い電圧で時間をかけて充電することにより、プラズマ抜けの抑制と不正放電の抑制との両立が可能となり、信頼性の高い難着火性燃焼機関の点火装置として利用できる。
【０１４７】
また、電圧の高低に応じて段階的に絶縁設計を変えることが可能となり、小型化が容易となり搭載性に優れたプラズマ式点火装置が実現可能となる。
【符号の説明】
【０１４８】
１  プラズマ式点火装置
１０  点火プラグ
２０  電源
２１  イグニションキー
２２  ＤＣ−ＤＣコンバータ（電源電圧調整回路、ＤＣ２２）
３０  ブレイク放電回路
３１  ブレイク放電電圧昇圧コイル（コイル３１）
３２  ブレイク放電電圧昇圧コイル開閉素子（スイッチング素子３２）
３３  ブレイク放電整流素子（整流素子３３）
３４  ノイズ吸収抵抗
４０  プラズマ放電回路
４０１  第１のキャパシタ充電電圧昇圧コイル（コイル４０１）
４０２  充電電圧昇圧コイル開閉素子（スイッチング素子４０２）
４０３  第１のキャパシタ充電電流整流素子（整流素子４０３）
４１１  第２のキャパシタ充電用抵抗（充電抵抗４１１）
４１２  第２のキャパシタ放電電流整流素子（整流素子４１２）
４３０  プラズマ電流整流素子（整流素子４３０）
５０  パルス整形回路（ＰＣＵ）
６０  電子制御装置（ＥＣＵ）
Ｃ１  第１のキャパシタ（キャパシタＣ１）
Ｃ２  第２のキャパシタ（キャパシタＣ２）
ＩＧｔ  点火信号
ＳＷ１  ブレイク放電電圧昇圧コイル開閉信号（開閉信号ＳＷ１）
ＳＷ２  第１のキャパシタ充電電圧昇圧コイル開閉信号（開閉信号ＳＷ２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１４９】
【特許文献１】特表２０００−５１１２６３号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４２５７号公報
【特許文献３】特開２００８−１７７１４２号公報
【図１】
2010216467.tif 000003
【図２】
2010216467.tif 000004
【図３】
2010216467.tif 000005
【図４】
2010216467.tif 000006
【図５】
2010216467.tif 000007
【図６】
2010216467.tif 000008
【図７】
2010216467.tif 000009
【図８】
2010216467.tif 000010
【図９】
2010216467.tif 000011
【図１０】
2010216467.tif 000012
【図１１】
2010216467.tif 000013
【図１２】
2010216467.tif 000014
【図１３】
2010216467.tif 000015
【図１４】
2010216467.tif 000016
【図１５】
2010216467.tif 000017
【図１６】
2010216467.tif 000018
【図１７】
2010216467.tif 000019
【図１８】
2010216467.tif 000020