(57)【要約】【課題】プラズマ点火プラグの放電部にエネルギ蓄積コンデンサから大電流パルスによるプラズマ噴射エネルギを供給する大電流パルス回路での過電流の発生を防止する。【解決手段】共振コイル１３、スイッチング素子１２ａ、シャント抵抗１４、およびエネルギ蓄積コンデンサ１１をＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力に直列接続して充電回路１５を構成し、高電圧パルス回路２と、充電回路１５を有する大電流パルス回路３とを備え、大電流パルス回路３内でのＬＣ共振を利用してエネルギ蓄積コンデンサ１１の充電を行い、放電部１ａでの放電開始に伴いエネルギ蓄積コンデンサ１１から放電部１ａにエネルギを供給する。短絡検出回路４は、シャント抵抗１４により検出された充電回路１５内の電流値からコンパレータ３０により過電流を検出するとスイッチング素子１２ａへのオン指令をオフさせて大電流パルス回路３を保護する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ点火プラグの放電部に高電圧パルスを出力して放電を発生させる高電圧パルス回路と、
直流電源にスイッチング素子、電流検出用抵抗およびエネルギ蓄積コンデンサを直列接続して上記スイッチング素子のオン時に上記直流電源のエネルギを上記エネルギ蓄積コンデンサに充電する充電回路を有し、放電発生時の上記放電部に上記エネルギ蓄積コンデンサから大電流パルスによるプラズマ噴射エネルギを供給する大電流パルス回路と、
上記スイッチング素子のオン時に上記電流検出用抵抗を流れる過電流を検出して上記スイッチング素子をオフする短絡検出回路とを備えたことを特徴とするプラズマジェット点火装置。
【請求項２】
上記大電流パルス回路内の上記充電回路に、上記エネルギ蓄積コンデンサと直列に共振コイルを設け、上記エネルギ蓄積コンデンサおよび上記共振コイルのＬＣ共振を利用して上記エネルギ蓄積コンデンサを充電することを特徴とする請求項１に記載のプラズマジェット点火装置。
【請求項３】
上記短絡検出回路は、上記電流検出用抵抗を流れる電流の検出値を所定の閾値と比較して過電流を検出するコンパレータと、上記スイッチング素子をオンさせる制御信号を上記コンパレータの出力に基づいてキャンセルするＡＮＤ回路とを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマジェット点火装置。
【請求項４】
上記コンパレータは、ヒステリシス特性を有することを特徴とする請求項３に記載のプラズマジェット点火装置。
【請求項５】
上記コンパレータの出力をクロック信号として、上記過電流が検出されるとＬｏｗ信号を出力するフリップフロップ回路を備え、このフリップフロップ回路の出力と上記スイッチング素子への制御信号とを上記ＡＮＤ回路に入力することを特徴とする請求項３に記載のプラズマジェット点火装置。
【請求項６】
上記大電流パルス回路内の上記充電回路に、上記直流電源、上記スイッチング素子および上記電流検出用抵抗をバイパスするダイオードを、該ダイオード、上記エネルギ蓄積コンデンサおよび上記共振コイルが閉回路を構成するように備え、上記スイッチング素子のオン時に上記直流電源のエネルギを上記エネルギ蓄積コンデンサに充電し、その後の上記スイッチング素子をオフ時に上記共振コイルのエネルギを上記ダイオードを介して上記エネルギ蓄積コンデンサに充電可能としたことを特徴とする請求項２に記載のプラズマジェット点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は内燃機関内にプラズマジェットを噴射することにより点火を行うプラズマジェット点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の点火装置の一種で、プラズマジェット点火装置が提案されている。これは、点火プラグにおける放電で発生したプラズマをエンジン筒内にジェット状に噴射することにより、希薄燃焼エンジンなど難着火性エンジンでの確実な着火を行うものである。
従来のプラズマジェット点火装置では、プラズマ点火プラグに高電圧を印加して放電を起こさせる高電圧パルス回路と、放電部にエネルギを供給するエネルギ蓄積コンデンサを設けた大電流パルス回路とを備える。大電流パルス回路内の共振コイルとエネルギ蓄積コンデンサとのＬＣ共振によりエネルギ蓄積コンデンサの充電を行い、放電部での放電開始およびエネルギ蓄積コンデンサからのエネルギ供給が行われ、放電を開始した直後に大電流を流すことによりプラズマを噴射する（例えば、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２０１１−３２８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プラズマジェット点火装置と内燃機関とは一般にハーネスで接続され、ハーネスの経年劣化等により短絡する可能性がある。従来のプラズマジェット点火装置では、出力側での短絡などにより点火動作時に装置内に過電流が流れるという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、装置内の過電流の発生を防止して信頼性および耐久性が向上したプラズマジェット点火装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るプラズマジェット点火装置は、プラズマ点火プラグの放電部に高電圧パルスを出力して放電を発生させる高電圧パルス回路と、直流電源にスイッチング素子、電流検出用抵抗およびエネルギ蓄積コンデンサを直列接続して上記スイッチング素子のオン時に上記直流電源のエネルギを上記エネルギ蓄積コンデンサに充電する充電回路を有し、放電発生時の上記放電部に上記エネルギ蓄積コンデンサから大電流パルスによるプラズマ噴射エネルギを供給する大電流パルス回路と、上記スイッチング素子のオン時に上記電流検出用抵抗を流れる過電流を検出して上記スイッチング素子をオフする短絡検出回路とを備えるものである。
【発明の効果】
【０００７】
上記プラズマジェット点火装置によると、出力側で短絡が生じた場合にも大電流パルス回路に過電流が発生するのが防止でき、各部の劣化を防いで信頼性および耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１によるプラズマジェット点火装置の回路構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるプラズマジェット点火装置の動作を説明する各部の波形図である。
【図３】この発明の実施の形態１の別例によるプラズマジェット点火装置の回路構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１の別例によるプラズマジェット点火装置の回路構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２による短絡検出回路の回路構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態３による短絡検出回路の回路構成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態４によるプラズマジェット点火装置の回路構成を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態４によるプラズマジェット点火装置の動作を説明する各部の波形図である。
【図９】この発明の実施の形態４による大電流パルス回路内の電流経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１によるプラズマジェット点火装置について、図に基づいて説明する。
図１は、実施の形態１によるプラズマジェット点火装置の回路構成を示す図である。
プラズマジェット点火装置は、プラズマ点火プラグ１と、プラズマ点火プラグ１の放電部１ａ（電極間）の放電空間に放電を発生させるための２０〜４０ｋＶの高電圧を発生する高電圧パルス回路２と、放電開始によりインピーダンスの低下した放電空間に電気エネルギを与えてプラズマを噴射するための、５０〜１００Ａ程度の大電流パルスを発生する大電流パルス回路３と、短絡を検出するための短絡検出回路４と、制御回路５とによって構成される。高電圧パルス回路２と大電流パルス回路３は、プラズマ点火プラグ１に対し、互いに並列に接続される。
【００１０】
高電圧パルス回路２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子６、点火コイル７およびダイオード８を備え、点火コイル７がバッテリ９に接続される。そして、スイッチング素子６をオンすることにより点火コイル７の一次側に電流を流してエネルギを蓄積し、その後スイッチング素子６をオフすることにより点火コイル７の二次側に高電圧パルスを発生する。この場合、いわゆるフルトランジスタ方式を用いているが、これに限らずコンデンサに蓄積した電荷を点火コイルによって昇圧する、いわゆるＣＤＩ（Capacitor Discharge Ignition）方式を用いても良い。
【００１１】
大電流パルス回路３は、直流電源を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ１０と、プラズマ噴射用のエネルギを蓄積するエネルギ蓄積コンデンサ１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力によりエネルギ蓄積コンデンサ１１を充電するための充電回路１５と、エネルギ蓄積コンデンサ１１とプラズマ点火プラグ１との間に接続された波形整形用のコイル１６とを備える。また、大電流パルス回路３の出力側でプラズマ点火プラグ１との間に、高電圧パルス回路２により発生する高電圧パルスが大電流パルス回路３の内部に印加されるのを防止するための高電圧阻止用ダイオード１７が接続されている。
【００１２】
充電回路１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力にＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴなどから成るスイッチング素子１２ａ、共振コイル１３、電流検出用抵抗としてのシャント抵抗１４およびエネルギ蓄積コンデンサ１１を直列接続して構成される。スイッチング素子１２ａは、ダイオード１２ｂを互いに逆方向に直列接続し、またゲートを駆動するゲート駆動増幅器１２ｃを備えて逆電流阻止型のスイッチ１２を構成して、エネルギ蓄積コンデンサ１１への充電を制御する。
図１の大電流パルス回路３においては、さらにエネルギ蓄積コンデンサ１１に並列に残留電荷放電用抵抗１８および逆電圧印加防止用ダイオード１９を接続している。
【００１３】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、トランス２１と、トランス２１の一次側に接続されたスイッチング素子２２およびコンデンサ２３と、トランス２１の二次側に接続されたダイオード２４およびコンデンサ２５とを備え、バッテリ２０の電圧を−３００Ｖ〜−５００Ｖの範囲の一定電圧Ｖｄｃに昇圧して出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０からの出力は充電回路１５によりエネルギ蓄積コンデンサ１１に充電される。
エネルギ蓄積コンデンサ１１の静電容量は、０．１μＦ〜１０μＦ程度の範囲、例えば１μＦであり、これを例えば絶対値８００Ｖの電圧まで充電すれば、エネルギ蓄積コンデンサ１１の蓄積エネルギＥは、
Ｅ＝ＣＶ２／２＝３２０ｍＪ
となり、この蓄積エネルギをプラズマの噴射エネルギとして用いることが可能となる。
【００１４】
制御回路５は、図示省略したエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）からの制御信号に従い、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０、高電圧パルス回路２および大電流パルス回路３を制御する。具体的には、ＥＣＵからの制御信号である点火タイミング信号Ｓ０に従い、高電圧パルス回路２のスイッチング素子６へのオンオフ信号Ｇ０および大電流パルス回路３のスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１を生成して各スイッチング素子６、１２ａのオンオフを制御する。なお、便宜上ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の制御については省略する。
短絡検出回路４はシャント抵抗１４での検出結果を、予め設定された閾値３２と比較するコンパレータ３０と、ＡＮＤ回路３１とを備える。ＡＮＤ回路３１は、制御回路５からのスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１とコンパレータ３０の出力信号とを入力信号として、出力信号をスイッチング素子１２ａのゲート駆動増幅器１２ｃへ出力する。
【００１５】
次にプラズマジェット点火装置の動作について説明する。
図２は、この実施の形態１におけるプラズマジェット点火装置の動作シーケンスを説明する各部の波形図である。点火タイミング信号Ｓ０はＥＣＵから入力される。Ｓ０の立ち上がりが点火準備指示を、Ｓ０の立ち下がりが点火タイミングを示している。高電圧パルス回路２は、スイッチング素子６へのオンオフ信号Ｇ０の立ち下がりのタイミングにて高電圧パルスを発生する。大電流パルス回路３のスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１は、信号のＨ（ハイ）状態をオン指令状態、Ｌ（ロー）状態をオフ指令状態とする。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０からエネルギ蓄積コンデンサ１１への充電電流をＩｃで示している。エネルギ蓄積コンデンサ１１の電圧をＶｃ、プラズマ点火プラグ１に流れる電流をＩｐｊ、プラズマ点火プラグ１に印加される電圧をＶｐｊで示す。
【００１６】
まず、時刻ｔ１にてＥＣＵからの点火タイミング信号Ｓ０がハイ（点火準備指示）の状態となると、高電圧パルス回路２のスイッチング素子６のオンオフ信号Ｇ０が立ち上がりスイッチング素子６がオンすると、点火コイル７へのエネルギ蓄積が始まる。
時刻ｔ２にて大電流パルス回路３のスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１が立ち上がる。時刻ｔ２は、点火タイミング信号Ｓ０がハイ（点火準備指示）とになって所定時間後でもよいが、ＥＣＵから別途タイミング信号を与えても良い。Ｇ０とＧ１の立ち上がりタイミングの順序は逆でも良く、点火コイル７へのエネルギ蓄積動作と、以下に説明するエネルギ蓄積コンデンサ１１への充電動作のそれぞれが点火までに終了するようなタイミングであれば良い。スイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１が立ち上がり、スイッチング素子１２ａがオンすると、共振コイル１３とエネルギ蓄積コンデンサ１１とのＬＣ共振により、エネルギ蓄積コンデンサ１１の静電容量Ｃと共振コイル１３のインダクタンスＬとによって定まる共振周期Ｔｒの１／２の期間、エネルギ蓄積コンデンサ１１に正弦波状の電流Ｉｃが流れる。
【００１７】
共振周期Ｔｒの１／２の期間で電流Ｉｃが流れた後の時刻ｔ３において、エネルギ蓄積コンデンサ１１の電圧Ｖｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧Ｖｄｃ（−３００Ｖ〜−５００Ｖ）よりも絶対値が大きい電圧、理想的には２倍の電圧（−６００Ｖ〜−１０００Ｖ）まで増大する。実際には、電圧Ｖｃの到達電圧は充電電流経路の抵抗成分に依存して決まるＱ値（ＬＣ共振のピークの鋭さを表す値）によって異なり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧Ｖｄｃの２倍より絶対値がやや低い電圧Ｖｃｍａｘとなる。
時刻ｔ３を経過後、ＬＣ共振の特性により充電電流は反転しようとするが、スイッチ１２の逆電流阻止機能により反転電流は阻止され、エネルギ蓄積コンデンサ１１の電圧ＶｃはＶｃｍａｘに維持される。オン状態であるスイッチング素子１２ａは、続く時刻ｔ４と同時あるいは、ｔ３からｔ４までの間にオフすればよく、オフタイミングの厳密な制御は不要である。
【００１８】
時刻ｔ４にＥＣＵから入力される点火タイミング信号Ｓ０が立ち下がると、高電圧パルス回路２のスイッチング素子６のオンオフ信号Ｇ０が立ち下がり、スイッチング素子６がオフすると高電圧パルス回路２からプラズマ点火プラグ１に高電圧パルスが印加され、プラズマ点火プラグ１の電極間（放電部１ａ）で放電が開始する。一旦放電が開始すると、電極間の電圧Ｖｐｊは急速に低下し、エネルギ蓄積コンデンサ１１からプラズマ点火プラグ１に流れる電流Ｉｐｊは大電流パルスとなり、プラズマを加熱し噴射するエネルギを与える。このとき、波形整形コイル１６により、大電流パルスのパルス幅とピーク電流が調整できる。以上のような動作が、内燃機関の点火周期毎に繰り返される。
【００１９】
次に、短絡検出回路４の動作について説明する。大電流パルス回路３の充電回路１５内に配置されているシャント抵抗１４は、シャント抵抗１４を流れる電流を電圧信号を用いて検出する。短絡検出回路４では、シャント抵抗１４による電流検出値がコンパレータ３０の負側入力端子に入力されて、コンパレータ３０の正側入力端子に入力される閾値３２と比較される。なお、閾値３２も電圧信号が用いられる。
コンパレータ３０は、電流検出値が閾値より低い場合は「Ｈｉｇｈ」の信号を、閾値以上である場合は「Ｌｏｗ」の信号をＡＮＤ回路３１に出力する。ＡＮＤ回路３１では、制御回路５からのスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１も入力され、コンパレータ３０の出力信号が「Ｈｉｇｈ」である場合は、ＡＮＤ回路３１は、入力されたオンオフ信号Ｇ１をそのまま出力する。また、コンパレータ３０の出力信号が「Ｌｏｗ」である場合は、ＡＮＤ回路３１は、入力されたオンオフ信号Ｇ１のＨｉｇｈ／Ｌｏｗの状態に拘わらず信号「Ｌｏｗ」を出力する。ＡＮＤ回路３１からの出力信号は、スイッチング素子１２ａのゲート駆動増幅器１２ｃへ出力されてスイッチング素子１２ａのオンオフ制御に用いられる。
【００２０】
このように、コンパレータ３０は充電回路１５内の過電流を検出するもので、スイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１が「Ｈｉｇｈ」の時に上記過電流が検出されると、ＡＮＤ回路３１は、コンパレータ３０の出力に基づいて「Ｈｉｇｈ」のオンオフ信号Ｇ１をキャンセルして「Ｌｏｗ」にする。これにより、スイッチング素子１２ａはオフされて大電流パルス回路３の充電回路１５内で電流遮断される。閾値を超える過電流は発生後直ぐに遮断され、それ以上の過電流が流れるのが防止できる。このため、プラズマジェット点火装置の出力側での短絡などに起因する過電流から大電流パルス回路３を保護し、大電流パルス回路３の信頼性および耐久性を向上することができる。
【００２１】
なお、大電流パルス回路３内のスイッチング素子１２ａがオンする時刻ｔ２から高電圧パルス回路２内のスイッチング素子６がオフする時刻ｔ４までの時間は、制御回路５において所定の時間ｔとして設定されている。この実施の形態では、点火タイミング（時刻ｔ４）の直前に、ＬＣ共振周期Ｔｒの１／２の短い期間で充電するため、点火タイミングと異なるタイミングでの誤放電を防止することができる。
点火タイミングのずれの許容値は、点火時のエンジンのクランク角のずれ許容値とエンジンの回転数に依存するが、概ね５０μｓ程度である。このようなずれの許容値は、一般的にエンジンシステムから点火装置への要求仕様として定められている。
【００２２】
なお、上記所定の時間ｔを、点火タイミングのずれの許容値（例えば５０μｓ）以下とすれば、プラズマ点火プラグ１に高電圧が印加されない状態でエネルギ蓄積コンデンサ１１に蓄積された電圧のみで誤って放電を開始してしまっても、エンジンの動作への悪影響を回避することができる。
ＬＣ共振周期Ｔｒは、Ｔｒ＝２×π×√（ＬＣ）であるのでエネルギ蓄積コンデンサ１１の静電容量Ｃと、目標とする充電時間（Ｔｒ／２）が決まれば、共振コイル１３のインダクタンスＬを定めることができる。例えば、エネルギ蓄積コンデンサ１１の静電容量Ｃ＝１μＦ、共振コイル１３のインダクタンスＬ＝２５０μＨとすれば、Ｔｒ≒１００μｓ、Ｔｒ／２≒５０μｓであるので、インダクタンスＬの値を２５０μＨ以下とすれば、充電時間（Ｔｒ／２）を上記点火タイミングのずれの許容値５０μｓ以下とすることが可能である。上記所定の時間ｔと充電時間Ｔｒ／２との関係は、（Ｔｒ／２）≦ｔ、であるため、所定の時間ｔは、（Ｔｒ／２）≦ｔ≦５０μｓ、を満たすように設定される。
【００２３】
インダクタンスＬをより小さくすれば、より短時間で充電することが可能となるが、充電時のピーク電流が大きくなり、スイッチング素子１２ａに要求される電流スペックが大きくなるので、これらを鑑み、共振コイル１３のインダクタンスＬは、エネルギ蓄積コンデンサ１１の静電容量１μＦに対し、１０μＨ〜２５０μＨ程度の範囲で定めるのが望ましい。
なお、エネルギ蓄積コンデンサ１１の静電容量Ｃと、共振コイル１３のインダクタンスＬは、上記の範囲の値に限定されるものでなく、プラズマジェット点火装置の容量や点火タイミングのずれの許容値に対応した値によって設定されるものである。
【００２４】
このようにこの実施の形態１によるプラズマジェット点火装置は、エネルギ蓄積コンデンサ１１への充電動作を開始するタイミングからプラズマ点火プラグ１の点火タイミングまでの時間、すなわち大電流パルス回路３のスイッチング素子１２ａのオンから高電圧パルス回路２のスイッチング素子６のオフまでの時間を所定の時間ｔとし、この所定の時間ｔをエンジンの点火タイミングのずれの許容値以下としているので、誤放電が防止可能となり、エンジンの動作を安定させることができる。
【００２５】
またこの実施の形態１によればＬＣ共振を用いてエネルギ蓄積コンデンサ１１の充電を行うので、理想的には充電時のエネルギ損失は無く、スイッチ１２や共振コイル１３などの抵抗成分を考慮しても、容易に充電効率を９０％以上に高めることが可能である。また、充電時のエネルギ蓄積コンデンサ１１の到達電圧Ｖｃｍａｘを、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧Ｖｄｃの約２倍に高くできるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧を低くでき、用いる部品の耐電圧も低減できる。これによりＤＣ／ＤＣコンバータ１０を小型かつ低コストで実現でき、電力損失の低減された小型、低コストのプラズマジェット点火装置が得られる。
【００２６】
また図１において、逆電圧印加防止用ダイオード１９は、波形整形コイル１６とエネルギ蓄積コンデンサ１１とのＬＣ共振により、エネルギ蓄積コンデンサ１１に逆電圧が蓄積されるのを防止する働きを有する。また、残留電荷放電用抵抗１８は、点火動作の終了後にエネルギ蓄積コンデンサ１１に電荷が残留した場合に、これを緩やかに放電してエネルギ蓄積コンデンサ１１の電圧をゼロに戻し、２回目以降のサイクルにおいても最初のサイクルと同じ動作が行われるようにする働きがある。残留電荷放電用抵抗１８とエネルギ蓄積コンデンサ１１によって定まる時定数は、点火動作の周期より短く、エネルギ蓄積コンデンサ１１の充電開始から点火を行うまでの上記所定の時間ｔよりも長く設定すればよい。点火動作後にエネルギ蓄積コンデンサ１１の電圧が０付近になるようであれば、逆電圧印加防止用ダイオード１９や残留電荷放電用抵抗１８は、省略することも可能である。
【００２７】
また、図１においては、スイッチ１２をエネルギ蓄積コンデンサ１１のＧＮＤ（グラウンド）側に接続し、共振コイル１３を、ホット側（エネルギ蓄積コンデンサ１１のＧＮＤとは反対側）に接続したが、これは図３に示すように、スイッチ１２、共振コイル１３ともにホット側に接続しても、あるいは図４に示すようにスイッチ１２、共振コイル１３ともにＧＮＤ側に接続しても良い。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力端と、エネルギ蓄積コンデンサ１１と、スイッチ１２と、共振コイル１３とが直列に接続されれば、どの様な回路構成であっても良い。
図１あるいは図４に示すように、スイッチング素子１２ａのソース（ＩＧＢＴの場合はエミッタ）をＧＮＤレベルとすると、スイッチング素子１２ａへのゲート駆動信号を、ＧＮＤレベルを基準として生成でき、ゲート駆動信号の生成回路の構成を容易にできる。
一方、図３のようにスイッチ１２、共振コイル１３ともにホット側に接続すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力の一端をＧＮＤ電位とすることができるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に用いるトランス２１の絶縁耐圧を下げたり、非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いたりすることが可能となる。
以上のように、図１、３、４に示す回路には、それぞれ利点があるので、状況に応じて選択すればよい。
【００２８】
なお、上記実施の形態１では、充電回路１５内に共振コイル１３を設けて、ＬＣ共振を利用してエネルギ蓄積コンデンサ１１への充電を行ったが、抵抗を介してコンデンサに大電流の充電を行う回路構成においてもプラズマジェット点火装置の出力側での短絡などに起因する過電流から大電流パルス回路３を保護し、大電流パルス回路３の信頼性および耐久性を向上することができる。
【００２９】
実施の形態２．
上記実施の形態１によるプラズマジェット点火装置の短絡検出回路について、異なる構成を以下に示す。図５は、この発明の実施の形態２による短絡検出回路４ａの回路構成を示す図である。なお、短絡検出回路４ａ以外のプラズマジェット点火装置の構成および動作は上記実施の形態１と同様である。
図５に示すように、短絡検出回路４ａは、ヒステリシス特性を有するヒステリシスコンパレータ３０ａとＡＮＤ回路３１とを備える。ヒステリシスコンパレータ３０ａは、制御電源を２つの抵抗で分圧した接続点を正側入力端子に入力すると共に、正側入力端子と出力端子との間に抵抗ｒ１を備えて、閾値３２ａにヒステリシス幅を設ける。
【００３０】
大電流パルス回路３の充電回路１５内に配置されているシャント抵抗１４は、シャント抵抗１４を流れる電流を電圧信号を用いて検出する。短絡検出回路４ａでは、シャント抵抗１４による電流検出値がヒステリシスコンパレータ３０ａの負側入力端子に入力されて、正側入力端子に入力される閾値３２ａと比較される。ヒステリシスコンパレータ３０ａは、電流検出値が閾値より低い場合は「Ｈｉｇｈ」の信号を、閾値以上である場合は「Ｌｏｗ」の信号をＡＮＤ回路３１に出力する。この場合、閾値３２ａは２つの閾値Ａ、Ｂ（Ａ＜Ｂ）で構成され、電流検出値が上昇して閾値３２ａ以上になる場合は閾値Ｂを、また下降して閾値３２ａより低くなる場合は閾値Ａが用いられる。
【００３１】
ＡＮＤ回路３１では、制御回路５からのスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１も入力され、ヒステリシスコンパレータ３０ａの出力信号が「Ｈｉｇｈ」である場合は、ＡＮＤ回路３１は、入力されたオンオフ信号Ｇ１をそのまま出力する。また、ヒステリシスコンパレータ３０ａの出力信号が「Ｌｏｗ」である場合は、ＡＮＤ回路３１は、入力されたオンオフ信号Ｇ１のＨｉｇｈ／Ｌｏｗの状態に拘わらず信号「Ｌｏｗ」を出力する。ＡＮＤ回路３１からの出力信号は、スイッチング素子１２ａのゲート駆動増幅器１２ｃへ出力されてスイッチング素子１２ａのオンオフ制御に用いられる。
このようにスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１が「Ｈｉｇｈ」の時に閾値３２ａ以上になる過電流が検出されると、ＡＮＤ回路３１は、コンパレータ３０の出力に基づいて「Ｈｉｇｈ」のオンオフ信号Ｇ１をキャンセルして「Ｌｏｗ」にする。
【００３２】
上記実施の形態１では、短絡検出回路４は、コンパレータ３０の正側入力端子に接続される電圧レベルを閾値３２とし、電流検出値と１つの閾値３２との大小判定によりスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１をコントロールしていた。その場合、電流検出値が閾値３２より小さくなると制御回路５からのオンオフ信号Ｇ１がオン指令の状態のままスイッチング素子１２ａへ出力される。このため、「スイッチング素子１２ａオン」→「過電流検出によりスイッチング素子１２ａオフ」→「スイッチング素子１２ａオフにより電流レベルが下がりスイッチング素子１２ａオン」となりスイッチング素子１２ａのオンオフ切替制御が頻繁に繰り返されることがある。
この実施の形態では、ヒステリシス特性を有するヒステリシスコンパレータ３０ａを短絡検出回路４ａに備えたため、スイッチング素子１２ａのオンオフ切替制御が頻繁に繰り返されることが防止でき安定した制御が可能になる。
【００３３】
また、スイッチング素子１２ａがオン状態における充電回路１５内の過電流をヒステリシスコンパレータ３０ａで検出してスイッチング素子１２ａをオフするため、閾値を超える過電流の発生が防止できる。このため、プラズマジェット点火装置の出力側での短絡などに起因する過電流から大電流パルス回路３を保護し、大電流パルス回路３の信頼性および耐久性を向上することができる。
【００３４】
実施の形態３．
上記実施の形態１によるプラズマジェット点火装置の短絡検出回路について、さらに異なる構成を以下に示す。図６は、この発明の実施の形態３による短絡検出回路４ｂの回路構成を示す図である。なお、短絡検出回路４ｂ以外のプラズマジェット点火装置の構成および動作は上記実施の形態１と同様である。
図６に示すように、短絡検出回路４ｂは、コンパレータ３０ｂと、Ｄフリップフロップから成るフリップフロップ回路３３と、ＡＮＤ回路３１とを備える。
大電流パルス回路３の充電回路１５内に配置されているシャント抵抗１４は、シャント抵抗１４を流れる電流を電圧信号を用いて検出する。短絡検出回路４ａでは、シャント抵抗１４による電流検出値がコンパレータ３０ｂの正側入力端子に入力されて、負側入力端子に入力される閾値３２ｂと比較される。コンパレータ３０ｂは、電流検出値が閾値を超える場合は「Ｈｉｇｈ」の信号を、閾値以下である場合は「Ｌｏｗ」の信号を出力する。
【００３５】
フリップフロップ回路３３では、コンパレータ３０ｂの出力信号がクロック端子に入力され、Ｄ（データ）端子には制御用電源が抵抗Ｒ２を介して接続されて「Ｈｉｇｈ」信号が常時入力される。クロック端子に入力される信号が「Ｌｏｗ」である間はフリップフロップ回路３３は「Ｈｉｇｈ」の信号を出力し、クロック端子に入力される信号が「Ｈｉｇｈ」になるとフリップフロップ回路３３の出力信号は「Ｌｏｗ」となる。
【００３６】
ＡＮＤ回路３１では、制御回路５からのスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１とフリップフロップ回路３３の出力信号とが入力され、フリップフロップ回路３３の出力信号が「Ｈｉｇｈ」である場合は、ＡＮＤ回路３１は、入力されたオンオフ信号Ｇ１をそのまま出力する。また、フリップフロップ回路３３の出力信号が「Ｌｏｗ」である場合は、ＡＮＤ回路３１は、入力されたオンオフ信号Ｇ１のＨｉｇｈ／Ｌｏｗの状態に拘わらず信号「Ｌｏｗ」を出力する。ＡＮＤ回路３１からの出力信号は、スイッチング素子１２ａのゲート駆動増幅器１２ｃへ出力されてスイッチング素子１２ａのオンオフ制御に用いられる。
【００３７】
この実施の形態においても、スイッチング素子１２ａがオン状態における充電回路１５内の過電流をコンパレータ３０ｂで検出してスイッチング素子１２ａをオフするため、閾値を超える過電流の発生が防止できる。このため、プラズマジェット点火装置の出力側での短絡などに起因する過電流から大電流パルス回路３を保護し、大電流パルス回路３の信頼性および耐久性を向上することができる。また、フリップフロップ回路３３を用いているため、一旦、過電流が検出されてスイッチング素子１２ａがオフされると、コンパレータ３０ｂの出力が反転してもフリップフロップ回路３３の出力信号は「Ｌｏｗ」状態を継続して大電流パルス回路３を停止状態にすることができ、大電流パルス回路３の信頼性および耐久性を向上することができる。
【００３８】
実施の形態４．
次に実施の形態４について説明する。図７は実施の形態２によるプラズマジェット点火装置の回路構成を示す図である。
図７に示すように、上記実施の形態１によるプラズマジェット点火装置の大電流パルス回路３内の充電回路１５に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０、スイッチング素子１２ａ、ダイオード１２ｂおよびシャント抵抗１４をバイパスするバイパスダイオード２６を、バイパスダイオード２６、エネルギ蓄積コンデンサ１１および共振コイル１３が閉回路を構成するように備える。また、ＥＣＵから制御回路５に入力される信号Ｓ１が追加されている。信号Ｓ１はプラズマジェットに与える噴射エネルギの目標値を示すデータ信号であり、アナログ信号、パラレルロジック信号、またはシリアルロジック信号にて受け取ることが可能である。その他の構成は上記実施の形態１と同様である。
【００３９】
プラズマ点火プラグ１からプラズマジェットを噴射するにあたり、必要な噴射エネルギは、エンジンの回転数や混合気の空燃比など、エンジンの点火のしやすさに依存しており、常に大きなエネルギでプラズマジェットを噴射する必要は無い。プラズマの噴射エネルギはエネルギ蓄積コンデンサ１１の充電エネルギに依存する。
上記実施の形態１においては、エネルギ蓄積コンデンサ１１の電圧Ｖｃを、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧Ｖｄｃの約２倍まで充電したので、エネルギはほぼ一定であったが、この実施の形態４においては、充電電圧を変更可能としたものである。
【００４０】
次にプラズマジェット点火装置の動作について説明する。
図８は、この実施の形態４におけるプラズマジェット点火装置の動作シーケンスを説明する各部の波形図である。点火タイミング信号Ｓ０と噴射エネルギ目標値Ｓ１はＥＣＵから入力される。
上記実施の形態１と同様に、Ｓ０の立ち上がりが点火準備指示を、Ｓ０の立ち下がりが点火タイミングを示し、高電圧パルス回路２は、スイッチング素子６へのオンオフ信号Ｇ０の立ち下がりのタイミングにて高電圧パルスを発生する。大電流パルス回路３のスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１は、信号のＨ（ハイ）状態をオン指令状態、Ｌ（ロー）状態をオフ指令状態とする。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０からエネルギ蓄積コンデンサ１１への充電電流をＩｃで示している。エネルギ蓄積コンデンサ１１の電圧をＶｃ、プラズマ点火プラグ１に流れる電流をＩｐｊ、プラズマ点火プラグ１に印加される電圧をＶｐｊで示す。
【００４１】
まず、時刻ｔ１にてＥＣＵからの点火タイミング信号Ｓ０がハイ（点火準備指示）の状態となると、高電圧パルス回路２のスイッチング素子６のオンオフ信号Ｇ０が立ち上がりスイッチング素子６がオンすると、点火コイル７へのエネルギ蓄積が始まる。
時刻ｔ２にて大電流パルス回路３のスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１が立ち上がる。時刻ｔ２は、点火タイミング信号Ｓ０がハイ（点火準備指示）とになって所定時間後でもよいが、ＥＣＵから別途タイミング信号を与えても良い。
スイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１が立ち上がり、スイッチング素子１２ａがオンすると、共振コイル１３とエネルギ蓄積コンデンサ１１とのＬＣ共振によりエネルギ蓄積コンデンサ１１に電流Ｉｃが、図９（ａ）に示す経路で流れる。
【００４２】
制御回路５は、噴射エネルギ目標値Ｓ１に従い、演算やＬＵＴ（ルックアップテーブル）などによって、スイッチング素子１２ａをオンする期間ｔａを導出し、それに従い時刻ｔ２１にてスイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１を立ち下げる。スイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１が立ち下がり、スイッチング素子１２ａがオフすると、電流Ｉｃが流れる経路は図９（ｂ）に示す経路に切り替わり、共振コイル１３に蓄積されたエネルギがエネルギ蓄積コンデンサ１１に速やかに放出されて、時刻ｔ２２にて充電動作が終了する。
【００４３】
なお、時刻ｔ２から時刻ｔ２２までの時間ｔｂがエネルギ蓄積コンデンサ１１への充電時間であり、ＬＣ共振の共振周期Ｔｒの１／２の期間およびスイッチング素子１２ａをオンする期間ｔａとの関係は、
ｔａ＜ｔｂ＜（Ｔｒ／２）
となる。
時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの間は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のエネルギは、共振コイル１３とエネルギ蓄積コンデンサ１１による共振回路に対して放出されないので、電流Ｉｃが流れた後の時刻ｔ２２において、エネルギ蓄積コンデンサ１１の電圧Ｖｃは、実施の形態１の電圧Ｖｃｍａｘに比べ絶対値が低い充電電圧Ｖｃ２となり、エネルギ蓄積コンデンサ１１に蓄積されるエネルギも小さくなる。
【００４４】
時刻ｔ２２を経過後、ＬＣ共振の特性により充電電流は反転しようとするが、スイッチ１２の逆電流阻止機能により反転電流は阻止され、エネルギ蓄積コンデンサ１１の電圧ＶｃはＶｃ２に維持される。
大電流パルス回路３内のスイッチング素子１２ａがオンする時刻ｔ２から高電圧パルス回路２内のスイッチング素子６がオフする時刻ｔ４までの時間は、制御回路５において所定の時間ｔとして設定されている。この場合、所定の時間ｔは、充電期間ｔｂより長く、点火タイミングのずれの許容値（例えば５０μｓ）以下とする。
【００４５】
時刻ｔ４にＥＣＵから入力される点火タイミング信号Ｓ０が立ち下がると、高電圧パルス回路２のスイッチング素子６のオンオフ信号Ｇ０が立ち下がり、スイッチング素子６がオフすると高電圧パルス回路２からプラズマ点火プラグ１に高電圧パルスが印加され、プラズマ点火プラグ１の電極間（放電部１ａ）で放電が開始する。一旦放電が開始すると、電極間の電圧Ｖｐｊは急速に低下し、エネルギ蓄積コンデンサ１１からプラズマ点火プラグ１に流れる電流Ｉｐｊは大電流パルスとなり、プラズマを加熱し噴射するエネルギを与える。このとき、波形整形コイル１６により、大電流パルスのパルス幅とピーク電流が調整できる。以上のような動作が、内燃機関の点火周期毎に繰り返される。
【００４６】
この実施の形態４では、充電回路１５に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０、スイッチング素子１２ａ、ダイオード１２ｂおよびシャント抵抗１４をバイパスするバイパスダイオード２６を備えて、噴射エネルギ目標値Ｓ１に従いスイッチング素子１２ａをオンする期間ｔａを調整した。スイッチング素子１２ａをオンする期間ｔａが短いほど、エネルギ蓄積コンデンサ１１に蓄えられるエネルギは小さくできる。このため、プラズマ噴射エネルギを調整することが可能であるので、エンジンの状態に応じたプラズマ噴射エネルギを与えることが可能となり、不要に大きなエネルギをプラズマ点火プラグ１に与えることがなく、省エネルギのプラズマジェット点火装置を提供することができ、かつ、プラズマ点火プラグ１の磨耗、劣化を抑制できる。
【００４７】
また、短絡検出回路４では、上記実施の形態１と同様に、大電流パルス回路３の充電回路１５内のシャント抵抗１４による電流検出値がコンパレータ３０の負側入力端子に入力されて、コンパレータ３０は、上記電流検出値を閾値３２と比較して過電流を検出する。スイッチング素子１２ａへのオンオフ信号Ｇ１が「Ｈｉｇｈ」の時に上記過電流が検出されると、ＡＮＤ回路３１は、コンパレータ３０の出力に基づいて「Ｈｉｇｈ」のオンオフ信号Ｇ１をキャンセルして「Ｌｏｗ」にする。これにより、スイッチング素子１２ａはオフされて大電流パルス回路３の充電回路１５内で電流遮断され、閾値を超える過電流の発生が防止できる。このため、プラズマジェット点火装置の出力側での短絡などに起因する過電流から大電流パルス回路３を保護し、大電流パルス回路３の信頼性および耐久性を向上することができる。
【００４８】
なお、この実施の形態４の制御回路５が、上記実施の形態１で示した制御も可能にして２種の制御を選択的に用いるようにさせても良い。
また、この実施の形態４においても、上記実施の形態２、３で示した短絡検出回路４ａ、４ｂを用いても良く、それぞれ同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００４９】
１  プラズマ点火プラグ、１ａ  放電部、２  高電圧パルス回路、
３  大電流パルス回路、４，４ａ，４ｂ  短絡検出回路、
１０  直流電源としてのＤＣ／ＤＣコンバータ、１１  エネルギ蓄積コンデンサ、
１２ａ  スイッチング素子、１３  共振コイル、
１４  電流検出用抵抗としてのシャント抵抗、１５  充電回路、
２６  バイパスダイオード、３０，３０ｂ  コンパレータ、
３０ａ  ヒステリシスコンパレータ、３１  ＡＮＤ回路、３２，３２ａ，３２ｂ  閾値、
３３  フリップフロップ回路。
【図１】
2012251513.tif 000003
【図２】
2012251513.tif 000004
【図３】
2012251513.tif 000005
【図４】
2012251513.tif 000006
【図５】
2012251513.tif 000007
【図６】
2012251513.tif 000008
【図７】
2012251513.tif 000009
【図８】
2012251513.tif 000010
【図９】
2012251513.tif 000011