(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記点火プラグに直流高電圧を印加して火花放電を発生させる点火コイル装置と、
前記火花放電の経路に投入するための交流電流を発生する交流電源装置と、
前記交流電源装置から出力される交流電流を昇圧して前記点火プラグに供給する、コンデンサ装置及びインダクタ装置で構成された昇圧装置と、
前記点火コイル装置及び前記交流電源装置の動作を制御する制御装置とを備え、
前記交流電源装置は、複数のスイッチング素子で構成された直流−交流変換用のブリッジ回路と、前記昇圧装置と前記ブリッジ回路との間に接続されたトランス装置と、前記点火プラグに高電圧を印加して火花放電を発生開始させるように前記制御装置が点火コイル装置を制御する制御信号のタイミングと同じか、又はこれより前のタイミングで前記スイッチング素子を制御して前記トランス装置の前記交流電源装置側の巻線間をショートさせる制御回路とを有する
点火装置。
【請求項２】
前記ブリッジ回路は、直流電圧電源の高電圧側端子と低電圧側端子との間でそれぞれが直列接続された第１及び第２の対のスイッチング素子を備えたフルブリッジ回路であり、前記第１の対のスイッチング素子同士の接続点と、前記第２の対のスイッチング素子同士の接続点との間に前記トランス装置の前記交流電源装置側の巻線が接続されており、前記制御回路は、前記タイミングで前記第１及び第２の対の高電圧側のスイッチング素子を導通状態に制御するとともに前記第１及び第２の対の低電圧側のスイッチング素子を非導通状態に制御するか、又は前記タイミングで前記第１及び第２の対の低電圧側のスイッチング素子を導通状態に制御するとともに前記第１及び第２の対の高電圧側のスイッチング素子を非導通状態に制御する
請求項１に記載の点火装置。
【請求項３】
前記ブリッジ回路は、直流電圧電源間の高電圧側端子と低電圧側端子との間で直列接続された一対のスイッチング素子を備えたハーフブリッジ回路であり、前記一対のスイッチング素子同士の接続点と低電圧側端子との間に前記トランス装置の前記交流電源装置側の巻線が接続されており、前記制御回路は、前記タイミングで前記一対の低電圧側のスイッチング素子を導通状態に制御するとともに高電圧側のスイッチング素子を非導通状態に制御する
請求項１に記載の点火装置。
【請求項４】
前記低電圧側はＧＮＤ帯である
請求項２又は３に記載の点火装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記タイミングから少なくとも２マイクロ秒の間、前記スイッチング素子を導通状態に制御する
請求項１から３のいずれか一項に記載の点火装置。
【請求項６】
前記制御回路は、前記交流電源装置が、前記直流−交流変換を終えた直後又は所定時間経過後から、前記スイッチング素子を導通状態に制御して前記交流電源装置側の巻線間をショートさせる
請求項１から３のいずれか一項に記載の点火装置。
【請求項７】
前記制御回路は、前記タイミングから、所定時間及び前記内燃機関の回転数若しくは負荷の少なくともいずれか一方から成る予め記憶したマップ値から得られる時間を経過するまで、前記交流電源装置が、前記直流−交流変換を再開しないように前記ブリッジ回路を制御する
請求項１から３のいずれか一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、点火装置に関し、特に内燃機関の運転に用いられる高周波放電の点火装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保全や燃料枯渇の課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、過給機を利用したエンジンの小型化及び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。
【０００３】
高過給状態になると、エンジン燃焼室内の圧力は、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。この理由の一つに、点火プラグの高圧側電極とＧＮＤ（グランド）側電極との間（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。
【０００４】
この課題を解決するために、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採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、始動性の低下や燃焼性の低下を引起すという別の課題が発生してしまう。
【０００５】
この課題を解決するためには、消炎作用、すなわち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、若しくは電極から少しでも遠いところで燃焼を引起す、というような回避手段を設けた点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献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のギャップに火花放電を発生させ、この火花放電の経路にコンデンサを含む混合部を介して高周波電流を流し込むことで高エネルギーの火花放電であり、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している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１１２３１０号公報（特許第５３５１８７４号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１に示された従来の点火装置は、高耐圧のコンデンサを介して点火プラグへ高周波電流を流し込むシステムであるが、火花放電が発生した瞬間に高耐圧コンデンサから交流電源装置に容量放電電流が流れ込んでしまい、交流電源装置内で過電圧及び過電流が発生し、回路の破損が発生し、信頼性が低下するという課題を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明に係る点火装置は、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、前記点火プラグに直流高電圧を印加して火花放電を発生させる点火コイル装置と、前記火花放電の経路に投入するための交流電流を発生する交流電源装置と、前記交流電源装置から出力される交流電流を昇圧して前記点火プラグに供給する、コンデンサ装置及びインダクタ装置で構成された昇圧装置と、前記点火コイル装置及び前記交流電源装置の動作を制御する制御装置とを備え、前記交流電源装置は、複数のスイッチング素子で構成された直流−交流変換用のブリッジ回路と、前記昇圧装置と前記ブリッジ回路との間に接続されたトランス装置と、前記点火プラグに高電圧を印加して火花放電を発生開始させるように前記制御装置が点火コイル装置を制御する制御信号のタイミングと同じか、又はこれより前のタイミングで前記スイッチング素子を制御して前記トランス装置の前記交流電源装置側の巻線間をショートさせる制御回路とを有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による点火装置によれば、火花放電発生時に生じる交流電源装置内への容量放電電流の流れ込みによる、交流電源装置内の過電圧の発生を抑えることができ、交流電源装置の回路破壊を防止でき、点火装置としての信頼性を高めることができる。
【００１１】
また、交流電源装置内に発生する電圧を抑えることで、交流電源装置に含まれるスイッチング素子へ耐圧の低い安価な素子を使用することができ、コスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による点火装置の回路構成図である。
【図２】図１に示す点火装置において交流電源装置内に過電圧が発生する例（仮定例）を示したタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態１による点火装置の交流電源装置内の動作タイミングチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２による点火装置の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る点火装置の実施の形態を、図を参照して説明する。
【００１４】
実施の形態１．
本発明に係る点火装置は、点火コイル装置（例えば直流電源装置）で作られ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が発生した瞬間に、交流電源装置（例えばインバータ装置）に流れ込んで来るコンデンサによる容量放電電流による交流電源装置の破壊を防ぎ信頼性向上できる点火装置である。
【００１５】
このため、点火装置は、図１に示すように、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、この点火プラグ１０１に高電圧を印加して火花放電を発生させる点火コイル装置１０９と、火花放電の経路に投入するための交流電流を発生する交流電源装置１０３と、コイル装置１１１及びコンデンサ装置１１２で構成され、交流電源装置１０３の出力電圧を、コイル装置１１１及びコンデンサ装置１１２によるＬＣ共振点で昇圧して点火プラグ１０１に与えて放電プラズマを与える昇圧装置１０２と、点火コイル装置１０９及び交流電源装置１０３の出力発生タイミングを制御する制御装置１１４とを備えている。
【００１６】
そして、交流電源装置１０３は、直流電圧電源１１０の高電圧側端子と低電圧側（ＧＮＤ）端子との間でそれぞれが直列接続された二対のスイッチング素子（例えばＭＯＳ−ＦＥＴ）１０５及び１０６と１０７及び１０８とで構成された直流−交流変換用のブリッジ回路と、制御装置１１４の制御を受けて点火コイル装置１０９が火花放電を発生開始するタイミングに基づき前記ブリッジ回路のスイッチング素子をオン／オフ制御する制御回路１１３と、ブリッジ回路の各スイッチング素子対の接続点間に一次巻線が接続され、二次巻線が昇圧装置１０２のコイル装置１１１に接続されたトランス装置１０４とを備えている。
【００１７】
動作において、図１に示す本発明に係る点火装置では、制御装置１１４からの出力信号（図２及び３の波形Ｉで示す。）により、点火プラグ１０１の火花放電経路に、直流電源を用いた点火コイル装置１０９からエネルギーが供給され（同波形Ｈで示す。）、電極１０１ａ−１０１ｂ間に火花放電を形成する。この後、交流電源装置１０３は、コンデンサ装置１１２及びインダクタ装置１１１から成る昇圧装置１０２を介して、点火プラグ１０１に高周波電流を流し込んで電極１０１ａ−１０１ｂ間にプラズマ放電を発生させる。
【００１８】
ここで、昇圧装置１０２のコンデンサ装置１１２は、点火コイル装置１０９の出力である誘導電流により充電される対象となっており、点火プラグ１０１で火花放電が発生した瞬間にコンデンサ装置１１２に充電された電荷が交流電源装置１０３に向かって放電（同波形Ｃで示す。）される。
【００１９】
ここで、図２に示す例（仮定の例）のように、交流電源装置１０３内のスイッチング素子１０５〜１０８に対するゲート信号Ｄ〜Ｇを、制御回路１１３がそれぞれ予めオフの状態に制御していると仮定した場合、コンデンサ装置１１２から交流電源装置１０３へ流れ込む容量放電電流Ｃは、インダクタ装置１１１を介して、トランス装置１０４の二次巻線側のＢ点に達し、ここから更にトランス装置１０４の一次巻線側のＡ点に伝えられ、図示のスイッチング素子耐圧Ｖｓｗを超えた過電圧を発生させる。
【００２０】
従って、各スイッチング素子１０５〜１０８をオフにしていることにより、スイッチング素子１０６のドレイン端子（ＭＯＳ−ＦＥＴを用いた場合であり、以下同様。）とスイッチング素子１０８のドレイン端子間にＡ点の過電圧が印加され、スイッチング素子の破壊を招く。
【００２１】
このような課題を解消するため、本実施の形態１の点火装置では、図３に示すタイミングによりスイッチング素子のオン／オフ制御を行う。
すなわち、コンデンサ装置１１２から交流電源装置１０３へ容量放電電流Ｃが流れ込む際に、交流電源装置１０３内の、ソース端子が低電圧経路に接続されているスイッチング素子１０６と１０８を、制御回路１１３からのゲート信号Ｅ及びＧによりオン駆動させるとともにドレイン端子が高電圧側に接続されているスイッチング素子１０５と１０７をオフにすることで、トランス装置１０４のＡ点側（一次巻線間）をショートさせた状態にしておく。
【００２２】
なお、スイッチング素子１０６とスイッチング素子１０８をオン状態にし、トランス装置１０４のＡ点側をショートさせる方法としては、スイッチング素子のドレイン端子を直接ショートさせるだけでなく、図１に示すようにＧＮＤ帯を介してショートさせても良い。
【００２３】
また、スイッチング素子１０６と１０８をオフとし、ドレイン端子側が高電圧経路に接続されているスイッチング素子１０５とスイッチング素子１０７をオン状態にしても、トランス装置１０４のＡ点側（一次巻線間）をショートさせることができ、スイッチング素子１０６とスイッチング素子１０８をオン状態にしたときと同様の効果を得ることができる。
【００２４】
トランス装置１０４のＡ点側をショート状態とすることにより、トランス装置１０４のＢ点で発生する電圧が、Ｂ点側の漏れインダクタンス成分に応じた電圧の発生のみとなり、この漏れインダクタンス成分は巻線インダクタンスに比べ十分に小さいので、トランス装置１０４のＢ点側に発生する電圧を格段に低減させることができる。
【００２５】
また、トランス装置１０４のＡ点側に発生する電圧に於いても、スイッチング素子１０６とスイッチング素子１０８をオンしていることにより、ＧＮＤ（グランド）へショートさせていることとなるため、トランス装置１０４のＡ点側の電圧が、スイッチング素子の耐圧Ｖｓｗ以下の非常に小さい電圧となるので、スイッチング素子の破壊を防ぐことができる。
【００２６】
すなわち、昇圧装置１０２内のコンデンサ装置１１２から交流電源装置１０３へ流れ込むエネルギーは、コンデンサ装置１１２とインダクタ装置１１１とのＬＣ共振周波数に応じた交流電流Ｃが交流電源装置１０３へ流れ込み、トランス装置１０４のＢ点側にその交流電流が流れるため、トランス装置１０４の巻き数比に応じた交流電流が、トランス装置１０４のＡ点側に僅かながら発生するが、これは、スイッチング素子の耐圧Ｖｓｗ以下の非常に小さい電圧であるので、スイッチング素子の破壊を防ぐことができる。
【００２７】
ここで、トランス装置１０４−スイッチング素子１０６間、及びトランス装置１０４−スイッチング素子１０８間の配線距離が長くなると、配線のインピーダンス成分が大きくなり、配線のインピーダンスとトランス装置１０４のＡ点側に発生する交流電流とで発生する電圧が大きくなり、スイッチング素子の耐圧Ｖｓｗ以上の電圧が発生してしまう恐れがある。そのため、トランス装置１０４−スイッチング素子１０６間、及びトランス装置１０４−スイッチング素子１０８間を最短で配線することが好ましい。
【００２８】
スイッチング素子をオン状態にさせておく時間は、容量放電電流Ｃの交流電源装置１０３への流れ込み期間が、２マイクロ秒弱程度であるため、図３に示すように、制御信号Ｅ及びＧのオン期間は、波形Ｈの電圧が急激に低下する火花放電開始時点Ｔｓから少なくとも２マイクロ秒必要である。
【００２９】
一方、スイッチング素子をオン駆動させるタイミング、すなわち制御信号Ｅ及びＧがオンとなる時点は、上記のように火花放電開示時点Ｔｓのみならず、交流電源装置１０３からの交流電流の供給（インバータ動作）を終えた直後、又は供給を終えてから所定時間経過後であれば良い。後者の場合は、点火コイル装置１０９の誤動作により、意図しないタイミングで容量放電電流Ｃが流れ込んで来た際でも、過電圧の発生を防止するために適用される。これが、図３に示す時点Ｔ１である。
【００３０】
また、交流電源装置１０３が動作する期間で、スイッチング素子１０６及びスイッチング素子１０８をオン駆動し続けると、交流電流の生成動作（インバータ動作）を行うことができないため、交流電源装置１０３がインバータ動作を再開する際には、スイッチング素子１０６及びスイッチング素子１０８のオン状態を確実に終了させておく必要がある。これが、図３に示す時点Ｔ２である。
【００３１】
従って、交流電源装置１０３がインバータ動作をしない期間は、図３に示すとおり、Ｔｏｆｆ＝Ｔ２−Ｔ１であるが、上記のとおり、Ｔ１は、制御装置１１４が点火コイル装置１０９に対する制御信号により火花放電の発生指示を行う時点Ｔ０としてもよい。すなわち、制御装置１１４からの制御信号を受けた点火コイル装置１０９が点火プラグ１０１における火花放電を発生開始させるタイミング（Ｔ０）と同じか、又はこれより前のタイミング（Ｔ１）でスイッチング素子を制御してトランス装置１０４の交流電源装置１０３側の巻線間をショートさせ、以て昇圧装置１０２からトランス装置１０４への容量放電電流を還流させている。
【００３２】
このように、制御回路１１３からの制御信号Ｄ〜Ｇは、制御装置１１４からの信号Ｉに基づき、一定の時間スイッチング素子の駆動を行うこと、又は交流電源装置１０３のインバータ動作終了タイミングＴ１から、交流電源装置１０３の次回インバータ動作開始のタイミングＴ２までスイッチング素子を駆動させておくという動作を行うことができる。
【００３３】
さらに、制御回路１１３は、前記タイミングから、所定時間と前記内燃機関の回転数若しくは負荷との少なくともいずれか一方から成る予め記憶したマップ値から得る時間を経過するまで、前記交流電源装置が、前記直流−交流変換を再開しないように前記ブリッジ回路を制御するものでもよい。
【００３４】
実施の形態２．
本発明の実施の形態１における低圧側スイッチング素子を導通状態にしての効果について、交流電源装置１０３のブリッジ回路をフルブリッジ回路の構成で図示し且つ説明を行ったが、ブリッジ回路の構成はハーフブリッジ回路で構成してもよい。
【００３５】
これを図４を参照して説明すると、このハーフブリッジ回路は、直流電圧電源１１０の高電圧側端子と低電圧側端子と間で直列接続された一対のスイッチング素子１２０と１２１とで構成され、これらスイッチング素子１２０と１２１との接続点とＧＮＤとの間、すなわちスイッチング素子１２１のアノード−カソード間にはトランス装置１０４の交流電源側巻線が接続されている。
【００３６】
そして、コンデンサ装置１１２から交流電源装置１０３へ容量放電電流Ｃが流れ込む際に、制御回路１１３が、交流電源装置１０３内のスイッチング素子１２１をオン状態にし、スイッチング素子１２０をオフ状態にして、トランス装置１０４のＡ点側をＧＮＤ帯を介してショートさせることでスイッチング素子１２０及び１２１への過電圧の発生を防ぐことができる。
【００３７】
また、ハーフブリッジ回路で構成する場合も、下側のスイッチング素子１２１とトランス装置１０４との配線の距離により、スイッチング素子の両端に印加される電圧が決まるため、その配線距離を最短とすることが好ましい。
【００３８】
なお、本発明におけるブリッジ回路に使用するスイッチング素子は複数個並列接続しても良いことは言うまでもない。
【００３９】
本発明の実施の形態１によれば、前述のように、トランス装置１０４のＡ点側及びＢ点側の発生電圧を抑えることができ、交流電源装置１０３の破壊を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０１  点火プラグ；１０１ａ  高圧側電極；１０１ｂ  ＧＮＤ側電極（外側電極）；１０２  昇圧装置；１０３  交流電源装置；１０４  トランス装置；１０５〜１０８，１２０，１２１  スイッチング素子；１０９  点火コイル装置；１１０  直流電圧電源；１１１  インダクタ装置；１１２  コンデンサ装置；１１３  制御回路；１１４  制御装置。
【要約】
【課題】火花放電が発生した瞬間に内燃機関の点火プラグに火花放電を発生させる高電圧が、プラズマ電流発生用の交流電源装置に流れ込んでしまい、回路の信頼性低下及び破損が発生する。
【解決手段】制御装置（１１４）が、点火プラグ（１０１）に高電圧を印加して火花放電を発生開始させるように点火コイル装置（１０９）を制御する制御信号のタイミングと同じか、又はこれより前のタイミングで、前記制御信号を受けた交流電源装置（１０３）における制御回路（１１３）が、直流−交流変換用のブリッジ回路を構成するスイッチング素子を制御して、コンデンサ装置（１１２）を含む昇圧装置（１０２）を介してブリッジ回路と昇圧装置との間に接続されたトランス装置（１０４）の交流電源装置側の巻線間をショートさせ、昇圧装置からトランス装置への容量放電電流を還流させる。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0005897099.tif 000005