(57)【要約】      （修正有）【課題】点火プラグにツェナーダイオードが並列接続される点火装置であって、点火プラグの劣化が進行した場合にエンジンのトルク変動が増大することを抑制できる点火装置を提供する。【解決手段】点火装置において、２次コイル１２ｂの一端は、接続経路Ｌ２を介して点火プラグ１０の中心電極１０ａに接続されている。そして、接続経路Ｌ２には、一端が接地された定電圧用経路Ｌ３が接続されている。この定電圧用経路Ｌ３には、ツェナーダイオード１８が備えられている。ここで、点火信号がオフ点火信号に切り替えられてから点火タイミングまでの時間を複数回計測し、計測された複数回の時間のうち最大値と最小値との差をばらつき幅として定義する。そして、上記ばらつき幅を規定時間以下とする等の条件を課してツェナーダイオード１８のブレークダウン電圧を適合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに磁気結合された１次コイル（１２ａ）及び２次コイル（１２ｂ）を有する点火コイル（１２）と、内燃機関の燃焼室に突出した中心電極（１０ａ）及び接地電極（１０ｂ）を有する点火プラグ（１０）と、前記中心電極及び前記接地電極の間隙であるギャップに放電火花を生じさせるべく、前記１次コイルへの通電後、該１次コイルへの通電を遮断することにより前記ギャップに高電圧を印加する点火制御手段とを備える点火装置において、
前記２次コイルの一端は、低圧側経路（Ｌ１）を介して基準となる電位を有する部材（１４）に接続され、他端は、接続経路（Ｌ２）を介して前記中心電極に接続され、
前記接続経路には、一端が前記低圧側経路の両端のうち前記２次コイル側に接続された又は接地された定電圧用経路（Ｌ３，Ｌ３ａ〜Ｌ３ｃ）が接続され、
前記定電圧用経路には、前記１次コイルに通電される場合、前記２次コイルに生じる誘起電圧の極性が負となる側から正となる側に向かう方向である規定方向に前記定電圧用経路を流れる電流の流通を許容し、前記１次コイルへの通電が遮断される場合、自身の端子間電圧が規定電圧以上になるときに前記規定方向とは逆方向に前記定電圧用経路を流れる電流の流通を許容しつつ前記規定電圧分の電圧降下を生じさせる定電圧素子（１８，１８ａ〜１８ｃ）が備えられ、
前記規定電圧は、新品の前記点火プラグの放電電圧よりも高い電圧に適合されてなることを特徴とする点火装置。
【請求項２】
前記定電圧素子は、該定電圧素子の端子間電圧が前記規定電圧となる場合にツェナー降伏又はアバランシェ降伏が生じるダイオードであることを特徴とする請求項１記載の点火装置。
【請求項３】
前記１次コイルへの通電が遮断されてから前記ギャップに放電火花が生じるまでの時間を複数回計測し、計測された複数回の前記時間のうち最小値と最大値との差をばらつき幅と定義し、
当該点火装置は、前記ばらつき幅が規定時間以下となるように構成されてなることを特徴とする請求項１又は２記載の点火装置。
【請求項４】
当該点火装置の構成要素としての前記定電圧素子の前記規定電圧は、寿命が経過した前記点火プラグが当該点火装置に備えられた場合における前記ばらつき幅が前記規定時間以下となる電圧に適合されてなることを特徴とする請求項３記載の点火装置。
【請求項５】
前記規定電圧は、前記内燃機関が使用される場合に取り得る前記燃焼室の圧力の最大値に該燃焼室の圧力が設定された場合における前記ばらつき幅が前記規定時間以下となる電圧に適合されてなることを特徴とする請求項４記載の点火装置。
【請求項６】
当該点火装置の構成要素としての前記１次コイルの巻数及び該構成要素としての前記点火プラグの浮遊容量のうち少なくとも一方は、寿命が経過した前記点火プラグが当該点火装置に備えられた場合における前記ばらつき幅が前記規定時間以下となるように適合されてなることを特徴とする請求項３記載の点火装置。
【請求項７】
前記１次コイルの巻数及び前記点火プラグの浮遊容量うち少なくとも一方は、前記内燃機関が使用される場合に取り得る前記燃焼室の圧力の最大値に該燃焼室の圧力が設定された場合における前記ばらつき幅が前記規定時間以下となるように適合されてなることを特徴とする請求項６記載の点火装置。
【請求項８】
前記内燃機関は、車載内燃機関であり、
前記規定時間は、機関回転速度が車両の通常走行時に想定される機関回転速度の最大値とされた場合に前記内燃機関のトルク変動を規定値以下とする時間であることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の点火装置。
【請求項９】
前記定電圧素子（１８ｂ，１８ｃ）は、前記点火プラグ又は前記点火コイルに内蔵されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに磁気結合された１次コイル及び２次コイルを有する点火コイルと、内燃機関の燃焼室に突出した中心電極及び接地電極を有する点火プラグと、前記中心電極及び前記接地電極の間隙であるギャップに放電火花を生じさせるべく、前記１次コイルへの通電後、該１次コイルへの通電を遮断することにより前記ギャップに高電圧を印加する点火制御手段とを備える点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ダウンサイジングによって燃費を改善したりコストを低減したりすべく、過給器の採用等によって火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）の圧縮比が高くされる傾向にある。圧縮比が高くされると、点火プラグの中心電極及び接地電極の間隙（ギャップ）に放電火花を生じさせる時期における筒内圧が高くなり、点火プラグの放電電圧が高くなる。そして、放電電圧が高くなると、走行距離の増加等によって点火プラグの電極磨耗が進んだ場合に、早期に放電電圧がプラグ碍子の絶縁破壊限界電圧を超える事態が生じ、点火プラグの信頼性が低下するおそれがある。このとき、放電火花を発生させることができなくなり、内燃機関が失火するおそれがある。
【０００３】
こうした問題に対処すべく、本発明者らは、下記特許文献１に見られるように、ツェナーダイオードやバリスタ等の定電圧素子を用いて点火プラグの放電電圧を所定電圧で制限する技術に着目した。この技術について詳しく説明すると、点火コイルの２次側の両端のうち一端には、点火プラグの中心電極と、端子間電圧が上記所定電圧以上になることで電流の流通を許容する定電圧素子とが接続されている。そして、定電圧素子の両端のうち中心電極側と反対側は接地されている。
【０００４】
こうした構成によれば、点火プラグのギャップの印加電圧が所定電圧を上回ろうとする場合、上記印加電圧が所定電圧で制限されてフラットにされる。そして、上記印加電圧が所定電圧に維持される期間内にギャップの気体の状態が放電に適した状態とされることで、ギャップに放電火花が生じる。これにより、点火プラグの放電電圧が過度に高くなることを回避でき、点火プラグの信頼性の低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平６−８０３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、点火プラグの放電電圧は、筒内圧のみならず、点火プラグの経年劣化によっても高くなる傾向にある。経年劣化に起因して放電電圧が過度に高くなると、点火プラグの信頼性が低下し、ギャップに放電火花を発生させることができなくなるおそれがある。こうした問題を回避するには、点火プラグの経年劣化に起因した放電電圧の上昇を防止する技術が要求される。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、上記定電圧素子が備えられる点火装置において、点火プラグの劣化が進行した場合において放電電圧の上昇に起因する点火プラグの信頼性の低下を好適に抑制できる点火装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
【０００９】
請求項１記載の発明は、互いに磁気結合された１次コイル（１２ａ）及び２次コイル（１２ｂ）を有する点火コイル（１２）と、内燃機関の燃焼室に突出した中心電極（１０ａ）及び接地電極（１０ｂ）を有する点火プラグ（１０）と、前記中心電極及び前記接地電極の間隙であるギャップに放電火花を生じさせるべく、前記１次コイルへの通電後、該１次コイルへの通電を遮断することにより前記ギャップに高電圧を印加する点火制御手段とを備える点火装置において、前記２次コイルの一端は、低圧側経路（Ｌ１）を介して基準となる電位を有する部材（１４）に接続され、他端は、接続経路（Ｌ２）を介して前記中心電極に接続され、前記接続経路には、一端が前記低圧側経路の両端のうち前記２次コイル側に接続された又は接地された定電圧用経路（Ｌ３，Ｌ３ａ〜Ｌ３ｃ）が接続され、前記定電圧用経路には、前記１次コイルに通電される場合、前記２次コイルに生じる誘起電圧の極性が負となる側から正となる側に向かう方向である規定方向に前記定電圧用経路を流れる電流の流通を許容し、前記１次コイルへの通電が遮断される場合、自身の端子間電圧が規定電圧以上になるときに前記規定方向とは逆方向に前記定電圧用経路を流れる電流の流通を許容しつつ前記規定電圧分の電圧降下を生じさせる定電圧素子（１８，１８ａ〜１８ｃ）が備えられ、前記規定電圧は、新品の前記点火プラグの放電電圧よりも高い電圧に適合されてなることを特徴とする。
【００１０】
上記発明では、新品の点火プラグの放電電圧よりも高い電圧に上記規定電圧が適合されている。このため、点火プラグの劣化が進行して点火プラグの放電電圧が高くなることで、ギャップの印加電圧が規定電圧で制限されるようになる。これにより、点火プラグの放電電圧が過度に高くなることを回避でき、点火プラグの信頼性の低下を好適に抑制することができる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記１次コイルへの通電が遮断されてから前記ギャップに放電火花が生じるまでの時間を複数回計測し、計測された複数回の前記時間のうち最小値と最大値との差をばらつき幅と定義し、当該点火装置は、前記ばらつき幅が規定時間以下となるように構成されてなることを特徴とする。
【００１２】
１次コイルへの通電開始タイミング及び通電遮断タイミングは通常、内燃機関の燃焼状態を所望とすべく内燃機関の運転状態と関係付けられて予め適合されている。ここで、点火プラグの劣化が進行すると、１次コイルへの通電が遮断されてからギャップに放電火花が生じるまでの時間が長くなる傾向にある。この時間が長くなると、予め適合された上記通電遮断タイミングに対応する放電火花の発生タイミングに対して、実際の放電火花の発生タイミングが遅延する時間が長くなることで、内燃機関のトルク変動が増大する等、内燃機関の燃焼状態が悪化することも考えられる。
【００１３】
ここで、請求項３記載の発明では、上記ばらつき幅が規定時間以下となるように点火装置が構成されている。具体的には、請求項４記載の発明のように、寿命が経過した点火プラグを用いて次に説明する条件を課して、点火装置の構成要素としての定電圧素子の規定電圧が適合されている。その条件とは、上記ばらつき幅が規定時間以下となる条件である。こうした条件を課して規定電圧を適合することにより、点火プラグの劣化が進行した場合に実際の放電火花の発生タイミングがその適切なタイミングから過度に遅延することを回避できる。
【００１４】
一方、請求項６記載の発明では、当該点火装置の構成要素としての前記１次コイルの巻数及び該構成要素としての前記点火プラグの浮遊容量のうち少なくとも一方は、寿命が経過した前記点火プラグが当該点火装置に備えられた場合における前記ばらつき幅が前記規定時間以下となるように適合されてなることを特徴とする。具体的には、ばらつき幅を規定時間以下とすべく、１次コイルへの通電が遮断されてギャップの印加電圧が上昇する状況下、ギャップの印加電圧が第１の所定電圧に到達してから第２の所定電圧よりも高い第２の所定電圧に到達するまでの時間（立ち上がり時間）を短くするように１次コイルの巻数及び点火プラグの浮遊容量のうち少なくとも一方が適合されている。こうした適合により、点火プラグの劣化が進行した場合に実際の放電火花の発生タイミングがその適切なタイミングから過度に遅延することを回避できる。
【００１５】
このように、請求項４又は請求項６記載の発明によれば、点火プラグの劣化が進行した場合であっても、放電火花の発生タイミングがその適切なタイミングから過度に遅延することを回避でき、ひいては内燃機関の燃焼状態の悪化を好適に抑制することができる。
【００１６】
請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発明において、前記定電圧素子（１８ｂ，１８ｃ）は、前記点火プラグ又は前記点火コイルに内蔵されていることを特徴とする。
【００１７】
上記発明によれば、定電圧素子が備えられる定電圧用経路の長さを固定することができる。このため、高電圧が印加される電気経路と低電圧の電気経路（例えば接地部位）との間に形成される浮遊容量のばらつきを低減させることができる。これにより、１次コイルへの通電が遮断されてギャップの印加電圧が上昇する状況下、ギャップの印加電圧が第１の所定電圧に到達してから第２の所定電圧よりも高い第２の所定電圧に到達するまでの時間（立ち上がり時間）のばらつきを低減させることができ、内燃機関の燃焼状態の悪化を好適に抑制することができる。また、上記発明によれば、高電圧が印加される電気経路が長くなることを回避できる。このため、高電圧が印加される電気経路と低電圧の電気経路との電気的絶縁の信頼性を高めることもできる。さらに、定電圧素子が点火プラグに内蔵された発明や、定電圧素子が点火コイルに内蔵された発明によれば、上記電気経路が長くなることを回避できることから、定電圧素子の端子と点火プラグの電極とを接続する経路のインピーダンスの影響によって、点火プラグの電極間の電圧が上記規定電圧からずれたり変動したりすることを抑制することができる。すなわち、点火プラグの電極間の電圧を規定電圧で精度よく制限することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態にかかる点火装置の構成図。
【図２】同実施形態にかかる２次電圧の推移を示す図。
【図３】同実施形態にかかるばらつき幅の定義を説明するための図。
【図４】エンジン回転速度と遅れ時間との関係を示す図。
【図５】第１の実施形態にかかるブレークダウン電圧に対するばらつき幅等の計測結果。
【図６】第２の実施形態にかかる気流がギャップの気体の状態に及ぼす影響を示す図。
【図７】同実施形態にかかる立ち上がり時間及び２次電圧の推移の関係を示す図。
【図８】同実施形態にかかる立ち上がり時間及び２次電圧の推移の関係を示す図。
【図９】同実施形態にかかる立ち上がり時間及び２次電圧の推移の関係を示す図。
【図１０】同実施形態にかかる立ち上がり時間及び保持時間の関係を示す図。
【図１１】第３の実施形態にかかる点火装置の構成図。
【図１２】その他の実施形態にかかる点火装置の構成図。
【図１３】その他の実施形態にかかる点火装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる点火装置を車載火花点火式エンジンに適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
図１に、本実施形態にかかる点火装置の全体構成を示す。
【００２１】
図示されるように、点火装置は、点火プラグ１０及び点火コイル１２を備えて構成されている。詳しくは、点火プラグ１０は、中心電極１０ａと接地電極１０ｂとを備えて構成され、図示しないエンジンの燃焼室に放電火花を生じさせる機能を有する。
【００２２】
点火コイル１２は、１次コイル１２ａと、同コイルに磁気結合された２次コイル１２ｂとを備えて構成されている。２次コイル１２ｂの両端のうち一端は、低圧側経路Ｌ１を介してバッテリ１４の正極側（基準となる電位を有する部材に相当）に接続され、他端は、接続経路Ｌ２を介して中心電極１０ａに接続されている。そして、バッテリ１４の負極側は接地されている。なお、本実施形態では、バッテリ１４として、１２Ｖの端子電圧Ｖｂを有する鉛蓄電池を用いている。また、本実施形態では、接地電位を「０Ｖ」とする。
【００２３】
１次コイル１２ａの両端のうち一端は、バッテリ１４の正極側に接続され、他端は、電子制御式の開閉手段であるスイッチング素子１６の入出力端子を介して接地されている。本実施形態では、スイッチング素子１６として、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いている。
【００２４】
上記接続経路Ｌ２には、一端が接地された定電圧用経路Ｌ３が接続されている。定電圧用経路Ｌ３には、定電圧素子としてのツェナーダイオード１８が備えられている。詳しくは、ツェナーダイオード１８のアノードは、接続経路Ｌ２側に接続され、カソードは接地部位側に接続されている。
【００２５】
電子制御装置（以下、ＥＣＵ２０）は、マイクロコンピュータを主体として構成され、点火装置を制御対象とする。ＥＣＵ２０は、点火プラグ１０に放電火花を生じさせるべく、スイッチング素子１６の開閉制御端子（ゲート）に対して点火信号ＩＧｔを出力する。
【００２６】
ここで、ＥＣＵ２０による点火制御について説明すると、まず、スイッチング素子１６のゲートに入力される点火信号ＩＧｔがオン点火信号とされることでスイッチング素子１６がオン状態とされる。これにより、バッテリ１４から１次コイル１２ａへと電流の流通が開始され、点火コイル１２への磁気エネルギの蓄積が開始される。ちなみに、本実施形態では、１次コイル１２ａに通電される場合、２次コイル１２ｂの両端のうち中心電極１０ａ側の極性が正とされ、低圧側経路Ｌ１側の極性が負とされる。
【００２７】
そして、１次コイル１２ａへの通電後、点火信号ＩＧｔがオフ点火信号とされることでスイッチング素子１６がオフ状態とされると、２次コイル１２ｂの両端の極性が反転されるとともに２次コイル１２ｂに高電圧が誘起される。これにより、点火プラグ１０の中心電極１０ａと接地電極１０ｂとの間隙（キャップ）に高電圧が印加される。
【００２８】
ここで、本実施形態では、定電圧用経路Ｌ３にツェナーダイオード１８が備えられている。このため、点火プラグ１０のギャップの印加電圧（２次電圧Ｖ２）がツェナーダイオード１８のブレークダウン電圧Ｖｚを上回ろうとする場合、ツェナーダイオード１８にてブレークダウン電圧Ｖｚ分の電圧降下が生じ、２次電圧Ｖ２がブレークダウン電圧Ｖｚで制限される。すなわち、図２に実線にて示すように、２次電圧Ｖ２がブレークダウン電圧Ｖｚを上回ろうとする期間（時刻ｔ１〜ｔ２）において、２次電圧Ｖ２がブレークダウン電圧Ｖｚに維持されることとなる。なお、以降、２次電圧Ｖ２がブレークダウン電圧Ｖｚに維持される時間（時刻ｔ１〜ｔ２）を定電圧継続時間Ｔｃと称すこととする。換言すれば、定電圧継続時間Ｔｃは、２次電圧がブレークダウン電圧Ｖｚに到達するタイミング（時刻ｔ１）から放電火花が生じるタイミング（時刻ｔ２）までの時間である。
【００２９】
そして、２次電圧Ｖ２がブレークダウン電圧Ｖｚで維持される期間において、ギャップの気体の状態が放電に適した状態となると、ギャップに放電火花が生じるとともに、接地電極１０ｂから中心電極１０ａへと放電電流Ｉｓが流れることとなる。こうした構成によれば、ツェナーダイオード１８及び定電圧用経路Ｌ３が備えられない点火装置における放電電圧（図中一点鎖線にて表記）と異なり、点火プラグ１０の放電電圧が過度に高くなることを回避できる。
【００３０】
次に、本実施形態にかかる上記ツェナーダイオード１８のブレークダウン電圧Ｖｚの適合手法について説明する。
【００３１】
本実施形態では、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の条件を満たすように、ブレークダウン電圧Ｖｚが適合されている。
【００３２】
（Ａ）新品の点火プラグ１０の放電電圧よりも高い電圧にブレークダウン電圧Ｖｚを適合するとの条件：この条件は、点火プラグ１０の経年劣化により点火プラグ１０の放電電圧が過度に高くなることを回避するためのものである。つまり、点火プラグ１０の使用初期の放電電圧は低いものの、点火プラグ１０の使用期間が長くなって点火プラグ１０のギャップ間距離が拡大する等、点火プラグ１０の劣化が進行すると、上記放電電圧は高くなる。
【００３３】
（Ｂ）点火プラグ１０の放電電圧の耐圧上限値（例えば４２ｋＶ）以下の電圧にブレークダウン電圧Ｖｚを適合するとの条件：ここで、耐圧上限値は、点火装置の信頼性を維持可能としつつ、点火装置の体格が過度に大きくならないとの観点から設定される。つまり、ブレークダウン電圧Ｖｚが高いほど、放電電圧が高くなることから、点火装置内の部品間の絶縁を確保するためにこの装置の体格が大きくなる傾向にある。
【００３４】
（Ｃ）ばらつき幅が規定時間Ｔｌｉｍｉｔ以下となる電圧にブレークダウン電圧Ｖｚを適合するとの条件：ここで、ばらつき幅は、図３に示すように、点火信号ＩＧｔがオフ点火信号に切り替えられてから、放電火花の発生タイミング（以下、点火タイミング）までの時間を複数回計測し、計測された複数回の時間のうち最小値Ｔｍｉｎと最大値Ｔｍａｘとの差として定義される。この条件は、点火プラグ１０の劣化が進行した場合におけるエンジンのトルク変動の増大を抑制するために定められる条件である。
【００３５】
つまり、点火プラグ１０の劣化が進行し、放電電圧がブレークダウン電圧Ｖｚで制限され始めるようになった後、点火プラグ１０の劣化が更に進行すると、点火信号ＩＧｔがオフ点火信号に切り替えられてから点火タイミングまでの時間が長くなる傾向にある。ここで、点火信号ＩＧｔがオン点火信号からオフ点火信号に切り替えられるタイミングは通常、エンジンの燃焼状態を所望（例えば、エンジンの出力トルクを最大）とするようにエンジンの運転状態と関係付けられて予め適合されている。このため、オフ点火信号に切り替えられてから点火タイミングまでの時間が長くなると、点火信号ＩＧｔの適合時における点火タイミングに対する実際の点火タイミングの遅延時間が長くなり、エンジンのトルク変動が増大するおそれがある。このトルク変動の増大を抑制すべく、上記条件（Ｃ）が定められる。
【００３６】
ちなみに、本実施形態では、上記規定時間Ｔｌｉｍｉｔを約３０μｓｅｃとした。これは、車両の通常走行時に想定されるエンジン回転速度の最大値（以下、想定回転速度Ｎｌｉｍｉｔ）におけるエンジンのトルク変動ΔＴｒを規定値ΔＴｔｇｔ以下とするためである。つまり、適合時の点火タイミングに対する実際の点火タイミングの遅延時間をエンジンのクランク軸の回転角に換算した値を点火ずれ角ΔＣｌａｎｋとして定義すると、図４に示すように、点火ずれ角ΔＣｌａｎｋが大きくなると、トルク変動ΔＴｒが大きくなる傾向にある。本実施形態では、想定回転速度Ｎｌｉｍｉｔを６０００ｒｐｍとした場合のトルク変動を上記規定値ΔＴｔｇｔ以下とすべく、点火ずれ角ΔＣｌａｎｋを１℃Ａとしたことから、規定時間Ｔｌｉｍｉｔを約３０μｓｅｃとした。
【００３７】
ここで、上記想定回転速度Ｎｌｉｍｉｔは、例えば、エンジンの最高回転速度（エンジンの最大出力発生時のエンジン回転速度）としたり、上記最高回転速度よりもやや低い回転速度としたりすればよい。
【００３８】
また、上記規定値ΔＴｔｇｔは、ドライバビリティの低下を回避する観点から定められるトルク変動の許容上限値である。ここで、上記ドライバビリティの低下とは、例えば、トルク変動に起因する振動が大きくなったり、この振動に起因する騒音が大きくなったりすることにより車両のユーザに不快感を与えることである。
【００３９】
なお、上記規定時間Ｔｌｉｍｉｔとして設定可能な上限値は、ブレークダウン電圧Ｖｚが高くなるほど短くなる。これは、点火コイル１２に蓄えられる磁気エネルギが有限である一方、ギャップの電圧印加期間にツェナーダイオード１８に電流が流れることで磁気エネルギが消費されることによる。
【００４０】
続いて、図５を用いて、上記条件（Ｃ）を満たすようにブレークダウン電圧Ｖｚを適合することについて更に詳しく説明する。図５は、ブレークダウン電圧Ｖｚを様々な値（Ｖｚ＝２７．５ｋＶ，３１ｋＶ，３３ｋＶ）にした場合と、点火装置に定電圧用経路及びツェナーダイオードが備えられない場合とにおいて、点火タイミングにおける燃焼室の圧力（以下、筒内圧）に対する点火プラグの最大放電電圧及びばらつき幅の計測結果である。
【００４１】
まず、実験状態について説明すると、この実験では、燃焼室に供給される混合気の空燃比を目標空燃比に制御する周知の空燃比フィードバック制御が行われる状況下、燃焼室につながる吸気通路上のスロットルバルブの開度を大きくして吸気量を増大させることで筒内圧を上昇させた。また、点火タイミングを圧縮上死点近傍とした。
【００４２】
さらに、寿命が経過した点火プラグを模擬した点火プラグ（以下、走行消耗プラグ）を点火装置に備えた。ここで、走行消耗プラグを用いたのは、点火プラグの劣化が進行した状況における上記ばらつき幅を計測するためである。ここで、寿命が経過した点火プラグとは、例えば、車両の走行距離が予め定められたメンテナンス距離（例えば１０万ｋｍ）に到達した車両の点火プラグ、又は点火プラグの電極消耗量（例えば、車両の走行距離がメンテナンス距離に到達した車両の点火プラグの平均的な電極消耗量）が規定量以上となり、ギャップ距離が所定以上となった点火プラグ（ギャップ距離が新品の点火プラグのギャップ距離よりも上記規定量以上拡大した点火プラグ）のことである。なお、上記メンテナンス距離は、車両の走行性能を維持すべく点火プラグの交換時期を示す距離である。
【００４３】
続いて、計測結果について説明する。
【００４４】
図５に示すように、点火タイミングにおける筒内圧が高くなるほど、点火プラグの最大放電電圧が高くなるとともに、上記ばらつき幅が大きくなった。これは、筒内圧が高くなるほど、ギャップへの高電圧の印加が開始されてからギャップの気体の状態が放電に適した状態となるまでの時間が長くなる傾向にあるためである。
【００４５】
そして、点火タイミングにおける筒内圧が、エンジンが使用される場合に取り得る最大筒内圧（３．８ＭＰａ）とされる場合において、上記ばらつき幅は、ブレークダウン電圧Ｖｚが高いほど小さくなった。
【００４６】
こうした計測結果から、本実施形態では、設定された複数のブレークダウン電圧Ｖｚのうち、筒内圧が最大筒内圧とされる場合におけるばらつき幅が規定時間Ｔｌｉｍｉｔ以下となる電圧であってかつ、最も低い電圧である３１ｋＶをブレークダウン電圧Ｖｚとして適合した。ここで、上記最も低い電圧を選択したのは、上述したように、点火装置の体格の増大を極力回避するためである。
【００４７】
なお、ブレークダウン電圧Ｖｚを３１ｋｖとする場合、ツェナーダイオード及び定電圧用経路が備えられない点火装置における最大放電電圧に対して、ツェナーダイオードが備えられる点火装置における最大放電電圧が約１８％低減されている。
【００４８】
このように、本実施形態では、上記態様にてツェナーダイオード１８のブレークダウン電圧Ｖｚを適合した。このため、点火プラグ１０の劣化が進行した場合に、点火タイミングが遅延することによるエンジンのトルク変動の増大を好適に抑制することができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００５０】
本実施形態では、ばらつき幅を規定時間Ｔｌｉｍｉｔ以下とするための点火装置の構成手法を変更する。詳しくは、ばらつき幅を規定時間Ｔｌｉｍｉｔ以下とすべく、立ち上がり時間を短くするように点火装置を構成する。ここで、本実施形態において、立ち上がり時間とは、点火信号ＩＧｔがオン点火信号からオフ点火信号に切り替えられて２次電圧Ｖ２が上昇する状況下、２次電圧Ｖ２が第１の所定電圧Ｖｆ１に到達してから第２の所定電圧Ｖｆ２に到達するまでの時間のことである。以下、上記構成手法を採用するに至った経緯について説明する。
【００５１】
図６に、ギャップの気体の状態の推移を示す。詳しくは、図６（ａ）は、ギャップに高電圧が印加される前のギャップの気体の状態を示し、図６（ｂ）〜図６（ｅ）は、ギャップに高電圧が印加されている場合のギャップの気体の状態を示す。
【００５２】
図６（ａ）に示すように、ギャップには、自由電子が存在する。ギャップに高電圧を印加すると、図６（ｂ）に示すように、ギャップに存在する自由電子が電界で加速されて、気体分子と衝突する。このため、図６（ｃ）に示すように、気体分子から自由電子が放出されてプラスイオンが生成される（α作用）。また、こうして生成されたプラスイオンが中心電極１０ａに衝突することで、中心電極１０ａから自由電子が放出される（γ作用）。
【００５３】
ここで、一般的な点火プラグの構造において、中心電極１０ａは針電極として働き、接地電極１０ｂは平板電極として働く。このため、中心電極１０ａ付近の空間において、電界の集中が生じる。これにより、図６（ｄ）に示すように、自由電子が加速されて接地電極１０ｂ側に移動するとともに、中心電極１０ａ付近においてプラスイオンの密度が高くなる。中心電極１０ａ付近においてプラスイオンの密度が高くなると、中心電極１０ａ付近における電界がさらに強化される。これにより、α作用が促進され、ギャップに放電火花が生じることとなる。
【００５４】
ここで、ギャップに高電圧を印加してから放電火花が生じるまでの期間において、図６（ｅ）に示すように、ギャップに混合気の流れ（以下、気流）が生じると、中心電極１０ａ付近のプラスイオンがギャップ近傍の空間外へと流される。プラスイオンが流されると、中心電極１０ａ付近における電界が弱まることで、ばらつき幅が長くなると考えられる。本実施形態では、放電電圧の過度の上昇を回避すべくツェナーダイオード１８が設けられる構成としていることから、ギャップに電圧を印加してから放電火花が生じるまでの時間の伸長が顕著となり得る。このため、中心電極１０ａ付近のプラスイオンが気流によって流されやすくなり、ばらつき幅の伸長が顕著となると考えられる。ばらつき幅が長くなると、上述したように、エンジンのトルク変動が大きくなるおそれがある。
【００５５】
こうした問題に対処すべく、本発明者らは、気流がばらつき幅に及ぼす影響の抑制手法について検討及び実験等を行った。そして、プラスイオンが気流に流される前にプラスイオンを大量に生成することができれば、ギャップに気流が生じる場合であっても、気流がばらつき幅に及ぼす影響を抑制できることを見出した。ここでは、立ち上がり時間を短くすることでプラスイオンを大量に生成できるとの知見が得られた。
【００５６】
そこで、本実施形態では、ばらつき幅を規定時間Ｔｌｉｍｉｔ以下とすべく、立ち上がり時間を短くするように点火装置を構成する手法を採用した。
【００５７】
続いて、図７〜図９を用いて、立ち上がり時間がばらつき幅に及ぼす影響について更に説明する。詳しくは、図７及び図８は、立ち上がり時間を３通りに設定した場合における２次電圧Ｖ２の推移の計測結果を示し、図８は、図７の時間スケールについての拡大図である。なお、図７及び図８は、ツェナーダイオード１８のブレークダウン電圧Ｖｚを「１８ｋＶ」に設定した場合の計測結果である。また、本実施形態では、上記第１の所定電圧Ｖｆ１を「５ｋＶ」とし、上記第２の所定電圧Ｖｆ２を「１５ｋＶ」とした。さらに、立ち上がり時間は、バッテリ１４の端子電圧の変更によって１次コイル１２ａに流す電流値を大きくすることで短くした。
【００５８】
図７及び図８に示すように、立ち上がり時間が短いほど、点火信号ＩＧｔがオフ点火信号に切り替えられてから点火タイミングまでの時間が短くなる傾向にあり、その結果、ばらつき幅が小さくなる傾向にある。なお、図８には、３通りに設定した立ち上がり時間を「Ｔ１〜Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）」で表記した。
【００５９】
ここで、図９を用いて、立ち上がり時間を短くすると、ばらつき幅が小さくなる理由について説明する。なお、図９では、ギャップに直流電圧を印加した場合における放電電圧（以下、直流放電電圧）を「Ｖｄ」にて示した。
【００６０】
直流放電電圧Ｖｄ以上の２次電圧Ｖ２と直流放電電圧Ｖｄとで囲まれる面積は、放電火花の発生に要求されるエネルギと相関を有しており、立ち上がり時間によらず略一定となる。このため、立ち上がり時間を短くするほど、２次電圧Ｖ２が直流放電電圧Ｖｄを超えるタイミングが早くなり、上記要求されるエネルギを２次コイル１２ｂ側において早期に生成することができる。これにより、点火信号ＩＧｔがオフ点火信号に切り替えられてから早期にプラスイオンを中心電極１０ａ付近に大量に生成することができ、放電火花を安定して発生させることができる。この結果、点火信号ＩＧｔがオフ点火信号に切り替えられてから点火タイミングまでの時間が短くなり、ばらつき幅が小さくなる。
【００６１】
なお、上記要求されるエネルギは、立ち上がり時間によらず略一定であることから、図９において斜線を施した部分の面積「Ｓ１」，「Ｓ２」は等しくなる。
【００６２】
図１０に、立ち上がり時間を様々に設定した場合の保持時間の計測結果を示す。ここで、保持時間とは、２次電圧Ｖ２がブレークダウン電圧Ｖｚに到達してから点火タイミングまでの時間である。なお、図１０は、上記ブレークダウン電圧Ｖｚを「１８ｋＶ」に設定した場合の計測結果である。また、図１０には、複数の保持時間の最大値（図中「◇」にて表記）に基づく保持時間の最大値のラインと、複数の保持時間の最小値（図中「○」にて表記）に基づく保持時間の最小値のラインとを併記している。ちなみに、これらラインの差がばらつき幅となる。
【００６３】
図示されるように、立ち上がり時間が短いほど、保持時間が短くなる傾向にあり、この結果、ばらつき幅が小さくなる。
【００６４】
ここで、本実施形態では、上記第１の実施形態で説明した上記条件（Ａ），（Ｂ）を満たすようにツェナーダイオード１８のブレークダウン電圧Ｖｚを適合することを前提として、ばらつき幅が規定時間Ｔｌｉｍｉｔ以下となるように１次コイル１２ａの巻数Ｎ１及び点火プラグ１０の浮遊容量Ｃｐを適合した。
【００６５】
詳しくは、１次コイル１２ａの巻数Ｎ１を従来の点火装置における巻数よりも低減させた。１次コイル１２ａの巻数Ｎ１を低減させると、１次コイル１２ａのインダクタンスの低減によって点火信号ＩＧｔがオン点火信号とされる期間における１次電流が増大する。このため、点火コイル１２に蓄積される磁気エネルギが増大し、立ち上がり時間が短くなる。
【００６６】
また、点火プラグ１０を構成する部材であってかつ、点火プラグ１０を構成するハウジング及び中心電極１０ａの間を絶縁するための碍子の肉厚を従来の点火装置における肉厚よりも増大させることで上記浮遊容量Ｃｐを低減させた。点火プラグ１０の浮遊容量Ｃｐを低減させると、ギャップに高電圧を速やかに印加することができ、立ち上がり時間が短くなる。
【００６７】
なお、１次コイル１２ａの巻数Ｎ１及び点火プラグ１０の浮遊容量Ｃｐの適合に際し、本実施形態では、実験状態を以下のように設定した。詳しくは、走行消耗プラグを点火装置に備え、また、点火タイミングにおける筒内圧Ｐをエンジンが使用される場合に取り得る最大筒内圧Ｐｍａｘ（３．８ＭＰａ）に設定した。
【００６８】
ちなみに、ばらつき幅を規定時間Ｔｌｉｍｉｔ以下とするための立ち上がり時間は、ツェナーダイオード１８のブレークダウン電圧Ｖｚの設定によって変化する。このため、実際には、ブレークダウン電圧Ｖｚに応じて上記巻数Ｎ１及び浮遊容量Ｃｐの適合がなされることとなる。
【００６９】
また、図１０において、立ち上がり時間が「０」に漸近しても、保持時間は「０」とはならず、「０」よりも大きい所定値（例えば３μｓｅｃ程度）に収束すると考えられる。これは、放電に際し、ギャップにおいて偶発的に自由電子が発生するのに要する時間（統計遅れ時間）が存在することによる。
【００７０】
以上説明した適合手法によっても、点火プラグ１０の劣化が進行した場合に、点火タイミングが遅延することによるエンジンのトルク変動の増大を好適に抑制することができる。
【００７１】
（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、先の第２の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
【００７２】
本実施形態では、点火プラグ１０に、ツェナーダイオードを内蔵する。
【００７３】
図１１に、本実施形態にかかる点火装置の全体構成を示す。なお、図１１において、先の図１に示した部材と同一の部材については、便宜上同一の符号を付している。また、図１１では、ＥＣＵ２０の図示を省略している。
【００７４】
図示されるように、本実施形態では、中心電極１０ａ及び接地電極１０ｂを接続する定電圧用経路Ｌ３ｂと、定電圧用経路Ｌ３ｂに設けられたツェナーダイオード１８ｂとが点火プラグ１０に内蔵されている。こうした構成は、上記立ち上がり時間のばらつきを低減させるために採用された。つまり、接続経路Ｌ２を含む高電圧が印加される電気経路（例えば配線パターンにて形成された電気経路）と接地部位（ボディーアース）との間には浮遊容量が形成される。上記浮遊容量は、上記電気経路の長さが長いほど、大きくなる傾向にある。ここで、例えば、点火プラグ１０及びツェナーダイオードが個別に配置される構成を採用することにより、上記電気経路の長さがばらつくことがある。上記電気経路の長さがばらつくと、浮遊容量がばらつくことで、立ち上がり時間がばらつくこととなる。そして、立ち上がり時間がばらつくと、エンジンのトルク変動を適切に抑制することができなくなる懸念がある。なお、立ち上がり時間がばらつくと、例えば以下に説明する不都合も生じ得る。詳しくは、立ち上がり時間がばらつくと、上記第２の実施形態で説明した１次コイル１２ａの巻数等の適合パラメータが取り得る範囲が大きくなり、ばらつき幅を規定時間Ｔｌｉｍｉｔ以下とするための適合作業の負荷が大きくなる、又は適合作業が困難となるおそれがある。
【００７５】
こうした問題を解決すべく、点火プラグ１０にツェナーダイオード１８ｂを内蔵した。こうした構成によれば、定電圧用経路Ｌ３ｂの長さを固定することができ、高電圧が印加される電気経路と接地部位との間に形成される浮遊容量のばらつきを低減させることができる。これにより、立ち上がり時間のばらつきを低減させることができ、エンジンのトルク変動を適切に抑制することができる。また、点火プラグ１０にツェナーダイオード１８ｂを内蔵する構成によれば、高電圧が印加される電気経路が長くなることを回避できる。このため、高電圧が印加される電気経路と接地部位との電気的絶縁の信頼性を高めることもできる。さらに、上記電気経路が長くなることを回避できることから、中心電極１０ａ及び接地電極１０ｂのそれぞれと、ツェナーダイオード１８ｂとを接続する経路の長さを短くすることができる。これにより、上記接続する経路のインピーダンスが中心電極１０ａ及び接地電極１０ｂ間の電圧制限値に及ぼす影響を抑制することができる。すなわち、中心電極１０ａ及び接地電極１０ｂ間の電圧をツェナーダイオード１８ｂのブレークダウン電圧Ｖｚで精度よく制限することができる。
【００７６】
（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
【００７７】
・上記各実施形態において、点火装置の回路構成としては、先の図１に示したものに限らない。例えば、低圧側経路Ｌ１の両端のうち２次コイル１２ｂ側と反対側が接地部位（基準となる電位を有する部材に相当）に接続される（接地）される回路構成であってもよい。
【００７８】
また、図１２に示すように、低圧側経路Ｌ１のうち２次コイル１２ｂ側と接続経路Ｌ２とが定電圧用経路Ｌ３ａによって接続されてかつ、定電圧用経路Ｌ３ａにツェナーダイオード１８ａが備えられる回路構成としてもよい。詳しくは、ツェナーダイオード１８ａのアノードは、接続経路Ｌ２側に接続され、カソードは低圧側経路Ｌ１側に接続されている。
【００７９】
なお、上記回路構成においては、点火信号ＩＧｔがオン点火信号からオフ点火信号に切り替えられる場合、２次コイル１２ｂの誘起電圧がツェナーダイオード１８ａのブレークダウン電圧Ｖｚを上回ろうとすると、上記誘起電圧がブレークダウン電圧Ｖｚで制限される。すなわち、ギャップの印加電圧がブレークダウン電圧Ｖｚに維持される。
【００８０】
さらに、上記第１の実施形態において、点火装置の回路構成としては、点火プラグの中心電極を負極としてかつ接地電極を正極とし、点火信号ＩＧｔがオフ点火信号に切り替えられる場合に接地電極から中心電極へと放電電流が流れるいわゆるマイナス放電が行われる構成に限らない。例えば、中心電極を正極としてかつ接地電極を負極とし、上記オフ点火信号に切り替えられる場合に中心電極から接地電極へと放電電流が流れるいわゆるプラス放電が行われる回路構成であってもよい。
【００８１】
・規定時間Ｔｌｉｍｉｔの設定手法としては、上記各実施形態に例示したものに限らない。適合時の点火タイミングに対する実際の点火タイミングの遅延時間が長くなると、燃焼室から排気通路へと排出されるスモークが増大することも考えられる。このため、例えば、上記規定時間Ｔｌｉｍｉｔを、上記適合時を基準としたスモークの増大量が規定量以下となる時間に設定してもよい。また、上記遅延時間が長くなると、エンジンの出力トルクが低下することも考えられる。このため、例えば、規定時間Ｔｌｉｍｉｔを、上記適合時を基準としたエンジンの出力トルクの低下量が規定トルク以下となる時間に設定してもよい。
【００８２】
・上記第１の実施形態において、ツェナーダイオードのブレークダウン電圧Ｖｚの適合時に課す条件として、上記条件（Ａ）〜（Ｃ）に加えて、車両（エンジン）の雰囲気温度の条件を追加してもよい。上記雰囲気温度が低くなると、定電圧継続時間が長くなる傾向にある。このため、雰囲気温度が低く設定されるほど、点火タイミングの過度の遅延を回避すべく、ツェナーダイオードのブレークダウン電圧Ｖｚが高く設定される。
【００８３】
また、上記ブレークダウン電圧Ｖｚの適合時に課す条件として、上記条件（Ａ）のみを選択してもよい。この場合であっても、点火プラグ１０の経年劣化により点火プラグ１０の放電電圧が過度に高くなることを回避することはできる。
【００８４】
・点火装置の構成要素のうちばらつき幅を規定時間Ｔｌｉｍｉｔ以下とするための適合対象としては上記第２の実施形態に例示したものに限らない。例えば、１次コイル１２ａ及び点火プラグ１０のうち一方であってもよい。ここで、適合対象を点火プラグ１０のみとする場合、ばらつき幅を規定時間Ｔｌｉｍｉｔ以下とすることを点火プラグ１０の浮遊容量Ｃｐの適合にて完結することができる。これにより、点火装置の設計に際して生じる制約を大きく緩和できることなどが期待できる。
【００８５】
また、上記構成要素としては、１次コイル１２ａや点火プラグ１０に限らない。例えば、ツェナーダイオード１８であってもよい。この場合、ばらつき幅が規定時間Ｔｌｉｍｉｔとなるようにツェナーダイオード１８の浮遊容量を従来の点火装置における浮遊容量よりも低減させることとなる。具体的には、例えば、上記浮遊容量の低減は、ツェナーダイオード１８の高圧端子側（アノード側）を接地部位から十分離間させるようにツェナーダイオード１８を配置することで実現できる。また、例えば、上記浮遊容量の低減は、ツェナーダイオード１８を周囲と絶縁するための絶縁部材をツェナーダイオード１８に設け、上記絶縁部材として比誘電率が低いものを用いたり、ツェナーダイオード１８のチップの表面のうち接地部位と対向する面積を小さくしたりすることでも実現できる。
【００８６】
ちなみに、比誘電率の低減は、例えば、材料の変更によって実現できる。比誘電率の低い材料としては、例えば、シリコン樹脂（比誘電率：３．５〜５）や、シリコンゴム（比誘電率：３〜３．５）、エポキシ樹脂（比誘電率：４〜５）、フッ素樹脂（比誘電率：４〜８）が挙げられる。
【００８７】
さらに、上記構成要素としては、接続経路Ｌ２であってもよい。この場合、接続経路Ｌ２と接地部位との間の浮遊容量を従来の点火装置における浮遊容量よりも低減させることとなる。具体的には、例えば、上記浮遊容量の低減は、接続経路Ｌ２及び接地部位の間に介在物が無い状態で接続経路Ｌ２を接地部位から十分離間させたり、接続経路Ｌ２を短くしたりすることで実現できる。また、例えば、上記浮遊容量の低減は、接続経路Ｌ２を周囲と絶縁するための絶縁層を接続経路Ｌ２に設け、上記絶縁層を厚くしたり、上記絶縁層の比誘電率を低減させたりすることでも実現できる。ちなみに、比誘電率の低減は、上述したように、例えば、材料の変更によって実現すればよい。
【００８８】
・立ち上がり時間の定義としては上記第２の実施形態に例示したものに限らない。「０」以上であってかつツェナーダイオード１８のブレークダウン電圧Ｖｚ以下の電圧の範囲内において、第１の所定電圧Ｖｆ１及び第２の所定電圧Ｖｆ２を任意の電圧に設定してもよい。
【００８９】
・定電圧素子としては、上記各実施形態に例示したものに限らない。例えば、自身の端子間電圧が規定電圧となる場合にアバランシェ降伏が生じるアバランシェダイオードであってもよい。また、例えば、ツェナーダイオードやアバランシェダイオード以外の素子であってかつこれらと同様の機能を有する素子であってもよい。
【００９０】
・図１３に示すように、点火コイル１２に、定電圧用経路Ｌ３ｃ及びツェナーダイオード１８ｃを内蔵してもよい。この場合であっても、２次コイル１２ｂと中心電極１０ａとを接続する経路を短くできることから、点火プラグ１０の電極間の電圧を上記ブレークダウン電圧Ｖｚで精度よく制限できる等、上記第３の実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。なお、図１３において、先の図１２に示した部材と同一の部材については、便宜上同一の符号を付している。
【符号の説明】
【００９１】
１０…点火プラグ、１０ａ…中心電極、１０ｂ…接地電極、１２…点火コイル、１２ａ…１次コイル、１２ｂ…２次コイル、１８…ツェナーダイオード、２０…ＥＣＵ、Ｌ１…低圧側経路、Ｌ２…接続経路、Ｌ３…定電圧用経路。
【図１】
2014077432.tif 000003
【図２】
2014077432.tif 000004
【図３】
2014077432.tif 000005
【図４】
2014077432.tif 000006
【図５】
2014077432.tif 000007
【図６】
2014077432.tif 000008
【図７】
2014077432.tif 000009
【図８】
2014077432.tif 000010
【図９】
2014077432.tif 000011
【図１０】
2014077432.tif 000012
【図１１】
2014077432.tif 000013
【図１２】
2014077432.tif 000014
【図１３】
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