(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次コイルおよび二次コイルを有する点火コイルと、
蓄電した電力を前記一次コイルへ放電することにより、前記二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて点火プラグで容量放電させる容量放電用回路と、
前記一次コイルへの通電を遮断することにより、前記二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて前記点火プラグで誘導放電させる誘導放電用回路と、
前記点火プラグの中心電極を正極としたプラス放電を実施し、当該プラス放電の途中で、前記中心電極を負極としたマイナス放電に切り替えるよう、前記一次コイルへの通電状態を制御する制御手段と、
を備え、
前記点火コイルは、前記一次コイルの通電により生じた磁束を集中させるコア部材を有しており、
前記制御手段は、前記プラス放電を前記容量放電により実施し、前記マイナス放電を前記誘導放電により実施するよう、前記誘導放電用回路による前記一次コイルへの通電を開始し、その後、前記容量放電用回路による前記一次コイルへの通電を実施し、その後、前記誘導放電用回路による前記一次コイルへの通電の遮断を実施するように制御し、
前記誘導放電用回路による前記一次コイルへの通電開始から前記容量放電用回路による前記一次コイルへの通電開始直前までに、前記コア部材に生じる磁束が飽和量に達することのないよう、前記コア部材が選定されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火コイルと、点火コイルの一次コイルへの通電状態を制御する手段とを備えた、内燃機関の点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、点火プラグの中心電極を負極、接地電極を正極とし、中心電極の側を起点に接地電極へ向けて火花を伸展させる放電はマイナス放電と呼ばれている。一方、中心電極を正極とし、負極である接地電極へ向けて火花を伸展させる放電はプラス放電と呼ばれている。したがって、放電時に陽イオンが電極に衝突（スパッタリング）して生じる電極の消耗は、マイナス放電時には負極である中心電極で生じ、プラス放電時には負極である接地電極で生じる。但し、接地電極は中心電極に比べて燃焼中心に近い位置にあり高温になっているため、前記消耗の度合いが大きい。そのため、消耗の少ないマイナス放電を実施する点火装置が一般的に普及している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２０３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これに対し本発明者らは、放電初期にはプラス放電を実施し、そのプラス放電の途中でマイナス放電に切り替える手法を検討した。この手法によれば、電極消耗の多いプラス放電の期間を短くできるので、電極消耗を抑制しつつプラス放電を実施できる。この手法を実現させるべく、本発明者らは図４に示す点火装置を検討した。
【０００５】
すなわち、プラス放電用の一次コイルＬ１Ａとマイナス放電用の一次コイルＬ１Ｂを、同一のコア部材２１ｘに対して別々に設ける。また、両一次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂの各々に対して、通電を制御する半導体スイッチＳＷＡ，ＳＷＢを設ける。そして、半導体スイッチＳＷＡへの通電を遮断してプラス放電を実施している途中で、半導体スイッチＳＷＢへの通電を遮断してマイナス放電に切り替えるよう、ＥＣＵ１０ｘは両スイッチＳＷＡ，ＳＷＢを制御する。なお、図４の例では、一次コイルＬ１Ａにより生じた磁束を集中させるコア部材２１ｘと、一次コイルＬ１Ｂによる磁束を集中させるコア部材２１ｘとを共有させて、点火コイル２０ｘの小型化を図っている。
【０００６】
図５は、図４の装置の作動を説明するタイムチャートであり、ｔ１〜ｔ５の期間に一次コイルＬ１Ｂへ通電して、マイナス放電用の磁気エネルギをコイルＬ１Ｂへ蓄えさせる（（ｂ）（ｄ）参照）。また、ｔ２〜ｔ３の期間に一次コイルＬ１Ａへ通電して、プラス放電用の磁気エネルギをコイルＬ１Ａへ蓄えさせる（（ａ）（ｃ）参照）。そして、ｔ３時点で一次コイルＬ１Ａへの通電を遮断してプラス放電を開始させ、その後、ｔ５時点で一次コイルＬ１Ｂへの通電を遮断してマイナス放電を開始させる。これにより、ｔ３〜ｔ５のＴａ期間にプラス放電が為され、ｔ５〜ｔ６のＴｂ期間にマイナス放電が為される。つまり、ｔ５時点でプラス放電からマイナス放電に切り替わる。
【０００７】
しかしながら、図４の検討装置では、マイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）により生じるコア部材２１ｘでの磁束の向きと、プラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）により生じるコア部材２１ｘでの磁束の向きとが反対になる。そのため、両一次コイルＬ１Ａ，Ｌ１Ｂのいずれにも通電しているｔ２〜ｔ３の期間において、互いの磁束が打ち消し合うことになるので電力ロスが大きい。しかも、プラス放電用の一次コイルＬ１Ａとマイナス放電用の一次コイルＬ１Ｂを各々備えることを要するので、点火コイルの大型化を招く。
【０００８】
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、点火コイルの大型化抑制を図りつつ、電極消耗の抑制を図ったプラス放電を可能にした、内燃機関の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】
【０００９】
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。
【００１０】
第１の発明では、一次コイルおよび二次コイルを有する点火コイルと、蓄電した電力を前記一次コイルへ放電することにより、前記二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて点火プラグで容量放電させる容量放電用回路と、前記一次コイルへの通電を遮断することにより、前記二次コイルに生じる二次電圧の絶対値を昇圧させて前記点火プラグで誘導放電させる誘導放電用回路と、前記点火プラグの中心電極を正極としたプラス放電を実施し、当該プラス放電の途中で、前記中心電極を負極としたマイナス放電に切り替えるよう、前記一次コイルへの通電状態を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記プラス放電を前記容量放電により実施し、前記マイナス放電を前記誘導放電により実施するよう、前記容量放電用回路および前記誘導放電用回路の作動を制御することを特徴とする。
【００１１】
上記発明によれば、プラス放電を容量放電により実施し、マイナス放電を誘導放電により実施するので、図１中の符号Ｉ１（＋），Ｉ１（−）に例示するように、プラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）が一次コイルを流れる向きと、マイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）が一次コイルを流れる向きを同じにできる。その結果、Ｉ１（＋）による磁束とＩ１（−）による磁束の向きが同じになる。よって、互いの磁束が打ち消し合うことによる電力ロスを回避でき、ひいては点火コイルの大型化を抑制できる。
【００１２】
しかも、上述の如く両電流Ｉ１（＋），Ｉ１（−）の流れる向きを同じにできることに起因して、マイナス放電用の一次コイルとプラス放電用の一次コイルとを共用させることができる。つまり、図４の検討装置の如く、プラス放電用の一次コイルＬ１Ａとマイナス放電用の一次コイルＬ１Ｂを各々備えることを不要にできるので、点火コイルの大型化を抑制できる。
【００１３】
以上により、上記発明によれば、プラス放電の途中でマイナス放電に切り替えて電極消耗の多いプラス放電の期間を短くすることを、点火コイルの大型化抑制を図りつつ実現可能となる。
【００１４】
ところで、放電開始に必要な二次電圧の絶対値は、放電維持に必要な二次電圧の絶対値よりも高い。また、容量放電は一般的に、誘導放電に比べて二次電圧の発生期間が短いものの、誘導放電に比べて二次電圧の絶対値を高くできる。これらを鑑みた上記発明では、放電開始にかかるプラス放電を容量放電で実施し、放電維持にかかるマイナス放電を誘導放電で実施するので、放電開始および放電維持に必要な二次電圧を高効率で生じさせることができる。
【００１５】
第２の発明では、前記制御手段は、前記誘導放電用回路による前記一次コイルへの通電を開始し、その後、前記容量放電用回路による前記一次コイルへの通電を実施し、その後、前記誘導放電用回路による前記一次コイルへの通電の遮断を実施するように制御することを特徴とする。
【００１６】
上記発明によれば、容量放電用回路による一次コイルへの通電を開始して容量放電を開始させる前から、誘導放電用回路による一次コイルへの通電を開始するので、容量放電開始以降に誘導放電用回路による通電を開始する場合に比べて、マイナス放電用の磁気エネルギを一次コイルへ蓄えさせる期間を十分に長く確保できる。
【００１７】
第３の発明では、前記点火コイルは、前記一次コイルの通電により生じた磁束を集中させるコア部材を有しており、前記誘導放電用回路による前記一次コイルへの通電開始から前記容量放電用回路による前記一次コイルへの通電開始直前までに、前記コア部材に生じる磁束が飽和量に達することのないよう、前記コア部材が選定されていることを特徴とする。
【００１８】
ここで、コア部材の材質や形状、大きさに応じて、コア部材で集中させることのできる磁束量（飽和磁束量）は決まってくる。そのため、飽和磁束密度の低い材質や小さいコア部材を上記発明に採用すると、以下の問題が懸念されるようになる。すなわち、マイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）を流し始めてからプラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）を流し始めるまでの期間に、コア部材での磁束が飽和してしまうと、その後Ｉ１（＋）を一次コイルに流してもコア部材での磁束量が増大しなくなる。すると、プラス放電を実施できなくなることが懸念される。
【００１９】
この懸念に対し、上記発明では、Ｉ１（−）の通電開始からＩ１（＋）の通電開始直前までに、コア部材に生じる磁束が飽和量に達することのないよう、コア部材を選定しているので、上記懸念を解消できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる点火装置を示す回路図。
【図２】プラス放電とマイナス放電の違いを説明する図。
【図３】図１の点火装置の作動を示すタイムチャート。
【図４】本発明者らが検討した点火装置であって、本発明との比較対象となる装置を示す回路図。
【図５】図４の点火装置の作動を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本実施形態における点火装置が適用された、内燃機関の点火システムを示す概略回路図であり、電子制御装置（ＥＣＵ１０）に設けられたマイクロコンピュータ（制御手段）は、エンジン回転速度やアクセル操作量などのエンジンの運転状態を表す運転状態情報を取得し、その運転状態情報に基づいて最適な点火時期を算出する。そして、その点火時期に応じてプラス放電用の点火信号ＩＧｔ（＋）およびマイナス放電用の点火信号ＩＧｔ（−）を生成し、後述する半導体スイッチＳＷ（＋），ＳＷ（−）へ出力する。
【００２３】
ここで、図２を用いてプラス放電およびマイナス放電について説明する。図２（ａ）は、点火プラグ４０の中心電極４１および接地電極４２を示す図である。図示されるように、接地電極４２の表面が平らであるのに比べて中心電極４１には針状の突起が形成されている。そのため、この突起部分にて電界集中が生じるため、両電極４１，４２間に生じる放電は、中心電極４１の突起部分を起点として接地電極４２へ伸展する。
【００２４】
但し、図２（ｂ）に示すプラス放電時と図２（ｃ）に示すマイナス放電時とで、二次電流Ｉ２の向きが異なる。すなわち、プラス放電時には中心電極４１がプラス極、接地電極４２がマイナス極として機能し、中心電極４１の側から接地側へと二次電流Ｉ２が流れる。一方、プラス放電時には中心電極４１がマイナス極、接地電極４２がプラス極として機能し、接地側から中心電極４１の側へと二次電流Ｉ２が流れる。
【００２５】
図１の説明に戻り、内燃機関の気筒ごとに設けられる点火コイル２０は、磁気回路を形成するコア部材２１、一次コイルＬ１および二次コイルＬ２等を備えて構成される。詳細には、コア部材２１の外周面に、図示しない絶縁シートを介して両コイルＬ１，Ｌ２が重ねて巻き回されている。
【００２６】
コア部材２１は、一次コイルＬ１に一次電流Ｉ１が流れることにより生じた磁束を集中させるよう機能するものであるが、このようにコア部材２１で集中させることのできる磁束量（飽和磁束量）は、コア部材２１の材質や形状、大きさに応じて決まってくる。したがって、点火コイル２０の小型化を図りつつ飽和磁束量を大きくして所望の二次電圧Ｖ２を発生させるには、飽和磁束密度の高い材質を採用すればよいがコスト高となる。
【００２７】
一方、飽和磁束密度の低い材質を採用すれば、マイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）を流し始めてからプラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）を流し始めるまでの期間に、コア部材２１に生じる磁束が飽和量に達してしまう。すると、その後Ｉ１（＋）を一次コイルＬ１に流してもコア部材２１での磁束量が増大しなくなり、プラス放電を実施できなくなることが懸念される。
【００２８】
そこで本実施形態では、Ｉ１（−）の通電開始からＩ１（＋）の通電開始直前までに、コア部材２１に生じる磁束が飽和量に達することのないよう、最低限の飽和磁束密度を有するコア部材２１を選定しているので、コスト高を抑制しつつ上記懸念を解消できる。
【００２９】
一次コイルＬ１への供給電力は、以下に説明する容量放電用回路および誘導放電用回路の２系統から可能である。
【００３０】
容量放電用回路は、先述した半導体スイッチＳＷ（＋）、ＤＣ−ＤＣコンバータ５０（昇圧手段）、コンデンサ５１（蓄電手段）およびダイオード５２により構成される。バッテリ３０の出力電圧はＤＣ−ＤＣコンバータ５０により昇圧され、その昇圧された電力は、半導体スイッチＳＷ（＋）をオフ作動させている期間中にコンデンサ５１に蓄電される。そして、半導体スイッチＳＷ（＋）をオン作動させると、コンデンサ５１に蓄電された高圧電力が一次コイルＬ１へ放電され、この放電に起因して、二次コイルＬ２での二次電圧Ｖ２の絶対値が昇圧され、点火プラグ４０にて容量放電が生じる。この容量放電は、先述したプラス放電の実施に適用される。
【００３１】
誘導放電用回路は、先述した半導体スイッチＳＷ（−）およびダイオード５３により構成され、バッテリ３０から供給される電力の一次コイルＬ１への通電と遮断を制御する。つまり、半導体スイッチＳＷ（−）をオン作動させて一次コイルＬ１への通電を開始させると、マイナス放電用の磁気エネルギが一次コイルＬ１へ蓄えられることとなる。その後、半導体スイッチＳＷ（−）をオフ作動させて通電を遮断すると、二次コイルＬ２に生じる二次電圧Ｖ２の絶対値が昇圧して、点火プラグ４０にて誘導放電が生じる。この誘導放電は、先述したマイナス放電の実施に適用される。
【００３２】
図１中の矢印Ｉ１（＋），Ｉ１（−）は、容量放電用回路によるプラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）が一次コイルＬ１を流れる向きと、誘導放電用回路によるマイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）が一次コイルを流れる向きを示す。これらの一次電流Ｉ１（＋），Ｉ１（−）が一次コイルＬ１を流れる向きは同一であり、この向きが逆転することはダイオード５２，５３により制限される。
【００３３】
ＥＣＵ１０は、半導体スイッチＳＷ（＋），ＳＷ（−）を制御することで、容量放電（プラス放電）により点火プラグ４０での放電を開始させ、そのプラス放電の途中で、誘導放電（マイナス放電）に切り替えるよう、点火プラグ４０での放電状態を制御する。
【００３４】
図３は、このような放電状態の制御を実施すべく、プラス放電用の点火信号ＩＧｔ（＋）およびマイナス放電用の点火信号ＩＧｔ（−）を出力した際のタイムチャートである。
【００３５】
先ず、点火信号ＩＧｔ（−）がオフからオンに切り替わったｔ１時点で、半導体スイッチＳＷ（−）がオン作動して、バッテリ３０から一次コイルＬ１へマイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）が流れ始める（図３（ａ）（ｃ）参照）。つまり、ｔ１時点で誘導放電（マイナス放電）のための磁気エネルギ蓄積が開始される。
【００３６】
次に、点火信号ＩＧｔ（＋）がオフからオンに切り替わったｔ２時点で、半導体スイッチＳＷ（＋）がオン作動する。これにより、コンデンサ５１に蓄えられていた電力エネルギが放電され、一次コイルＬ１へプラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）が流れ始める（図３（ｂ）（ｄ）参照）。その結果、中心電極４１の電位が接地電極４２の電位に比べて急激に高くなるよう、二次電圧Ｖ２が変化する（図３（ｆ）参照）。その結果、中心電極４１から接地電極４２へ二次電流Ｉ２が流れる向きに放電（プラス放電）することとなる。つまり、ｔ２時点で容量放電（プラス放電）が開始される。
【００３７】
なお、一次コイルＬ１に実際に流れる一次電流Ｉ１（実一次電流Ｉ１）は、図３（ｅ）に示すようにＩ１（−）にＩ１（＋）を加算した値となる。実一次電流Ｉ１は、容量放電（プラス放電）の開始に伴いｔ３時点でピーク値となる。そして、その所定時間後のｔ４時点で、点火信号ＩＧｔ（−）をオンからオフに切り替えて、半導体スイッチＳＷ（−）をオフ作動させ、マイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）の通電が遮断される。
【００３８】
これにより、一次コイルＬ１に蓄えられていた磁気エネルギが開放され、中心電極４１の電位が接地電極４２の電位に比べて急激に低くなるよう、二次電圧Ｖ２が変化する（図３（ｆ）参照）。その結果、接地電極４２から中心電極４１へ二次電流Ｉ２が流れる向きに放電（マイナス放電）することとなる。
【００３９】
なお、一次電流Ｉ１（−）の通電を遮断させるｔ４時点で、点火信号ＩＧｔ（＋）をオンからオフに切り替えて、半導体スイッチＳＷ（＋）をオフ作動させるので、誘導放電（マイナス放電）の開始と同時に容量放電（プラス放電）が終了する。つまり、ｔ４時点で、容量放電（プラス放電）の継続中に誘導放電（マイナス放電）に切り替わる。
【００４０】
その後、電極４１，４２間の放電電圧Ｖ２はｔ５時点でゼロ（正確にはバッテリ電圧（１２Ｖ））になる。要するに、符号Ｔａに示す期間にてプラス放電が実施され、そのプラス放電の途中で（ｔ４時点で）マイナス放電に切り替わり、符号Ｔｂに示す期間にてマイナス放電が実施される。
【００４１】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
【００４２】
（１）放電初期にはプラス放電を実施し、そのプラス放電の途中でマイナス放電に切り替えるので、電極消耗の多いプラス放電の期間を短くできる。よって、電極消耗を抑制しつつプラス放電を実施できる。
【００４３】
（２）プラス放電を容量放電により実施し、マイナス放電を誘導放電により実施するので、プラス放電用の一次電流Ｉ１（＋）が一次コイルＬ１を流れる向きと、マイナス放電用の一次電流Ｉ１（−）が一次コイルＬ１を流れる向きを同じにできる。その結果、Ｉ１（＋）による磁束とＩ１（−）による磁束が互いに打ち消し合うことによる電力ロスを回避でき、ひいては点火コイル２０の大型化を抑制できる。
【００４４】
（３）上述の如く両電流Ｉ１（＋），Ｉ１（−）の流れる向きを同じにできることに起因して、マイナス放電用の一次コイルとプラス放電用の一次コイルとを共用させることができるので、点火コイル２０の大型化を抑制できる。
【００４５】
（４）Ｉ１（−）の通電開始からＩ１（＋）の通電開始直前までに、コア部材２１に生じる磁束が飽和量に達することのないよう、最低限の飽和磁束密度を有するコア部材２１を選定しているので、コスト高を抑制しつつ上記懸念を解消できる。
【００４６】
（５）ところで、両電極４１，４２での絶縁破壊（放電開始）に必要な二次電圧Ｖ２の絶対値は、絶縁破壊後の放電維持に必要な二次電圧Ｖ２の絶対値よりも高い。また、容量放電は一般的に、誘導放電に比べて二次電圧Ｖ２の発生期間が短いものの、誘導放電に比べて二次電圧Ｖ２の絶対値を高くできる。これらを鑑みた本実施形態では、放電開始にかかるプラス放電を容量放電で実施し、放電維持にかかるマイナス放電を誘導放電で実施するので、放電開始および放電維持に必要な二次電圧Ｖ２を高効率で生じさせることができる。
【００４７】
（他の実施形態）
上記実施形態では、プラス放電用の半導体スイッチＳＷ（＋）と、マイナス放電用の半導体スイッチＳＷ（−）とを、ｔ４時点で同時にオフ作動させている。これに対し、マイナス放電用の半導体スイッチＳＷ（−）をオフ作動させて誘導放電を開始させた後に、プラス放電用の半導体スイッチＳＷ（＋）をオフ作動させてもよいし、ＳＷ（−）をオフ作動させる前にＳＷ（＋）をオフ作動させてもよい。いずれにしても、コンデンサ５１からの放電がピークとなったｔ３時点以降にＳＷ（＋）をオフ作動させればよい。
【符号の説明】
【００４８】
１０…ＥＣＵ（制御手段）、２０…点火コイル、２１…コア部材、４０…点火プラグ、４１…中心電極、Ｌ２…二次コイル、Ｌ１…一次コイル、５０…ＤＣ−ＤＣコンバータ（容量放電用回路）、５１…コンデンサ（容量放電用回路）、５２…ダイオード（容量放電用回路）、ＳＷ（＋）…半導体スイッチ（容量放電用回路）、５３…ダイオード（誘導放電用回路）、ＳＷ（−）…半導体スイッチ（誘導放電用回路）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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