(57)【要約】【課題】絶縁破壊放電の火花に交流電力を投入する点火装置において、インピーダンスマッチング回路の共振コンデンサから放電電流が放出されても高周波交流電源を保護して、確実な点火を行う。【解決手段】高周波交流電力を供給するトランスの一次側の第１巻線に、第１の点火プラグに交流電流を供給する第１の交流電源を接続し、前記トランスの二次側の第２巻線に、前記第１の点火プラグに放電用電流を供給する第１の放電用電源と前記第１の交流電源とのインピーダンスマッチングを行う第１のインピーダンスマッチング回路を接続し、前記トランスの一次側に第３巻線を設け、この第３巻線に前記第１のインピーダンスマッチング回路から放電されたエネルギーを消費する放電エネルギー消費手段を接続して、第１の放電用電源による点火動作時に、前記第１のインピーダンスマッチング回路の共振用コンデンサから放電されたエネルギーを放電エネルギー消費手段にて消費させるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスの一次側の第１巻線に、第１の点火プラグに交流電流を供給する第１の交流電源が接続され、前記トランスの二次側の第２巻線に、前記第１の点火プラグに放電用電流を供給する第１の放電用電源と前記第１の交流電源とのインピーダンスマッチングを行う第１のインピーダンスマッチング回路が接続され、前記トランスの前記一次側に第３巻線が設けられ、前記第３巻線に前記第１のインピーダンスマッチング回路から放電されたエネルギーを消費する放電エネルギー消費手段が接続されていることを特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項２】
前記放電エネルギー消費手段が、半導体スイッチを備えた回路で、放電用電流の供給と交流電流の供給のタイミングに合わせて制御されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項３】
前記放電エネルギー消費手段の前記半導体スイッチに直列に抵抗が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項４】
前記第２巻線の巻数を前記第３巻線の巻数より多くすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項５】
前記トランスの二次側の前記第２巻線が、複数のインピーダンスマッチング回路に応じて複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項６】
前記トランスの第３巻線に接続される放電エネルギー消費手段が、第２の点火プラグに交流電流を供給する第２の交流電源であって、前記第１のインピーダンスマッチング回路から放電されたエネルギーを前記第１の交流電源と前記第２の交流電源に分流して消費させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、点火プラグを備えた内燃機関用点火装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃費を向上させる手法として、希薄燃料ガスや排気ガスの一部を吸気側へ導き再度吸気させる再循環システム（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）および高圧縮比の実現などが進められているが、いずれも着実な点火が課題であり、着火性を高める必要がある。
【０００３】
内燃機関用点火装置において着火性を高める一つの提案として、特許文献１に示すＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：無線周波数）点火装置がある。一般的な内燃機関用点火装置では、点火コイルとイグナイタで構成された放電用電源によって高電圧を発生させ、点火プラグの電極間に絶縁破壊放電を発生させるものであるのに対して、このＲＦ点火装置とは、放電用電源以外に、交流電源を追加するもので、放電用電源による絶縁破壊放電点火の直後に点火プラグの電極間に高周波電圧を供給して高温・高圧のＲＦプラズマを継続して発生させることによって、燃料ガスへの着火性を高めるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３２０４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に提案されているＲＦ点火装置では、放電用電源から出力される高電圧の伝送路と、交流電源から出力される交流電流の伝送路とを一つの伝送路にまとめて点火プラグに接続されており、この一つにまとめた伝送路と交流電源との間にはインピーダンスマッチング回路が設けられ、交流電源側の出力インピーダンスと点火プラグ側の入力インピーダンスとが一致するように構成され、点火プラグに供給される交流電力の減衰防止が図られている。
【０００６】
しかし、点火時の絶縁破壊放電では点火プラグの電極間に高電圧が印加され、インピーダンスマッチング回路内の共振コンデンサにも同電圧が印加され、この共振コンデンサからの放電電流が交流電源側に流入することになる。一方、高周波点火動作時に、点火プラグの電極間に高電圧を印加させるため、インピーダンスマッチング回路と交流電源との間には昇圧と絶縁を目的としたトランスが用いられており、このトランスによって、共振コンデンサからの放電電流は、トランスにおける巻数比倍され、大電流が交流電源のスイッチング回路に流入することになる。一般的に、交流電源のスイッチング回路には、高周波駆動を目的とした半導体スイッチ素子を使用しており、絶縁破壊放電時に流入する電流の整流に適した整流素子を備えていない。そのため、半導体スイッチ素子が破壊され、交流電源が故障する恐れがある。
また、多気筒に構成されている場合、気筒の各々に設けられた点火プラグに対して放電用電源と交流電源の二つの電源を設ける必要があることから点火装置が大型化するという課題がある。
【０００７】
この発明は、前述のような問題を解決するためになされたものであり、絶縁破壊放電時にインピーダンスマッチング回路の共振コンデンサから放電電流が放出されても交流電源を保護して、確実な点火を行う内燃機関用点火装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る内燃機関用点火装置は、絶縁破壊放電用の放電用電源と交流電源と点火プラグを有する内燃機関用点火装置において、トランスの一次側の第１巻線に、第１の点火プラグに交流電流を供給する第１の交流電源が接続され、前記トランスの二次側の第２巻線に、前記第１の点火プラグに放電用電流を供給する第１の放電用電源と前記第１の交流電源とのインピーダンスマッチングを行う第１のインピーダンスマッチング回路が接続され、前記トランスの前記一次側に第３巻線が設けられ、前記第３巻線に前記第１のインピーダンスマッチング回路から放電されたエネルギーを消費する放電エネルギー消費手段が接続され、第１の放電用電源による点火動作時に、前記第１のインピーダンスマッチング回路の共振用コンデンサから放電されたエネルギーを放電エネルギー消費手段にて消費させるものである。
【０００９】
また、この発明に係る内燃機関用点火装置は、前記トランスの第３巻線に接続される放電エネルギー消費手段が、第２の点火プラグに交流電流を供給する第２の交流電源であって、前記第１のインピーダンスマッチング回路から放電されたエネルギーを前記第１の交流電源と前記第２の交流電源に分流して消費させるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る内燃機関用点火装置においては、トランスの第３巻線に放電エネルギー消費手段を接続することによって、放電用電源による点火動作時にインピーダンスマッチング回路の共振用コンデンサから放電されたエネルギーを放電エネルギー消費手段にて消費させることによって、交流電源に過大な電流が流れることを防ぎ、交流電源の半導体スイッチ素子を保護することができる。
また、第３巻線に接続される放電エネルギー消費手段として、他の点火プラグに交流電流を供給する交流電源を使用することによって、簡素な構成の内燃機関用点火装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１の内燃機関用点火装置に係る構成のブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１の内燃機関用点火装置に係る回路構成例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態３の内燃機関用点火装置に係る回路構成例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態３の内燃機関用点火装置に係る点火タイミングを示す図である。
【図５】この発明の実施の形態４の内燃機関用点火装置に係る構成のブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態５の内燃機関用点火装置に係る構成のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態に係る内燃機関用点火装置について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付けて説明する。
【００１３】
実施の形態１．
実施の形態１は、点火プラグと絶縁破壊放電用電源と高周波交流電源を有する内燃機関用点火装置において、高周波交流電源は、直流電源とトランスの一時側の第１巻線との間に接続され、直流／交流の電力変換を行うスイッチング回路と、トランスの第２巻線の交流電圧、交流電流を共振させるインピーダンスマッチング回路と、トランスの第３巻線の接続を切り替えるスイッチを備え、絶縁破壊放電用電源による点火動作時は、スイッチをオンとしてインピーダンスマッチング回路から流入する容量放電電流をトランスの第３巻線のバイパス回路に流すようにした内燃機関用点火装置を表している。
【００１４】
図１は、この発明に係る実施形態１を示す構成のブロック図である。点火プラグ６には絶縁破壊放電用電源７から絶縁破壊で生じた電流と、高周波交流電源２から高周波交流電流が供給されるように構成されており、それらの電流の伝送路のインピーダンスマッチングをとるためにインピーダンスマッチング回路５が設けられている。インピーダンスマッチング回路５は、トランス３を介して高周波交流電圧を生成する高周波交流電源２とトランス３の第３巻線の開放と短絡を切り替えるバイパス回路４に接続されている。そして、高周波交流電源２は直流電源１と接続されている。絶縁破壊放電用電源７の出力制御、高周波交流電源２の出力の制御及びバイパス回路４のスイッチ制御は、制御装置８からの制御信号によってコントロールされている。
【００１５】
図２に、高周波交流電源２、トランス３、バイパス回路４、インピーダンスマッチング回路５の回路構成例を示す。
直流電源１とトランス３の一次側の第１巻線との間に高周波交流電源２が接続されている。この高周波交流電源２のスイッチング回路の構成の一例としては、フルブリッジ回路が用いられる。車両用のエンジンの点火装置の場合、直流電源１は鉛バッテリが用いられ、数ｋＶの電圧をプラグ間に印加するため、トランス３は高い昇圧比をもつ巻数比となっている。トランス３の昇圧比を緩和させるため、高周波交流電源２の中に昇圧機能を持たせた回路、すなわち昇圧チョッパ回路を直流電源１とフルブリッジ回路の間に挿入する構成もある。トランス３の二次側の第２巻線と点火プラグ６との間にはインピーダンスマッチング回路５が接続されており、共振回路の一例としては、直列型ＬＣ共振回路が用いられる。なお、他の共振回路を適用しても同様の点火動作を行うことが可能であることは言うまでもない。
【００１６】
図２においては、トランス３の一次側の第３巻線はバイパス回路４と接続され、回路構成としては第３巻線の開放または短絡を行うスイッチのみの構成を示している。
高周波交流電源２のスイッチング回路は、高周波駆動が求められるため、半導体スイッチとしてはＭＯＳＦＥＴが使用されるが、バイパス回路４のスイッチは、低周波数の点火周波数に合わせるためＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子が使用される。
【００１７】
次に、この内燃機関用点火装置の動作について説明する。内燃機関用点火装置の大まかな機能としては、絶縁破壊放電用電源７から数１０ｋＶの電圧を点火プラグ６の電極間に印加し、プラグの絶縁破壊放電を起こす。その後、高周波交流電源２から、数ｋＶの電圧を数ＭＨｚの高周波で点火プラグ６の電極間に印加し、ＲＦプラズマを継続して発生させる。
以下、バイパス回路４の動作を含めた詳細な動作を説明する。
【００１８】
絶縁破壊放電用電源７から数１０ｋＶの電圧を点火プラグ６の電極間に印加し、点火プラグ６の電極間に絶縁破壊放電が生じる。その際に、インピーダンスマッチング回路５の共振用コンデンサには点火プラグ６の電極間の電圧と同じ電圧が印加される。この共振用コンデンサに充電されたエネルギーは、共振用リアクトルと共振用コンデンサの共振周波数で振動する電圧及び電流として放電される。この放電電流はトランス３を介して、高周波交流電源２に流される。この放電電流が高周波交流電源２に流れることを回避するため、トランス３の一次側に第３巻線を設け、この第３巻線にバイパス回路４を接続している。
【００１９】
ここではバイパス回路４の半導体スイッチを絶縁破壊放電の開始前からオンにして、第３巻線を短絡させる。これにより、放電電流は高周波交流電源２とバイパス回路４に分流され、インピーダンスの小さいバイパス回路４に支配的な電流が流れる。
そして、放電電流の共振が十分に減衰した後に、バイパス回路４の半導体スイッチをオフにし、高周波交流電源２から高周波点火動作を始動する。これにより、トランス３の一次側の第３巻線の影響を受けることなく、高周波点火動作を行うことができる。バイパス回路４の半導体スイッチは、高周波点火動作時でもオンを保持しても高周波点火動作を行うことが可能であるが、バイパス回路４にも高周波電流が流れ、損失が発生するため、高周波点火動作時にはオフとすることが好ましい。
トランス３の第３巻線とバイパス回路４を用意せず、放電電流を整流する方策として、高周波交流電源２のスイッチング回路の半導体素子を並列接続にして半導体素子の１個当たりの電流量を低減することが考えられる。しかし、半導体素子数が増加することになり、装置が大型になる。
【００２０】
以上説明したように、実施の形態１の内燃機関用点火装置においては、バイパス回路４が、インピーダンスマッチング回路５からのエネルギーを消費する放電エネルギー消費手段として機能することになり、上記の構成にしたことで絶縁破壊放電時の放電電流が高周波交流電源２に流れず、高周波交流電源に使用される半導体スイッチに過大な電流が流れるのを防ぐことができる。
【００２１】
実施の形態２．
実施の形態２の内燃機関用点火装置は、実施の形態１のトランス３の一次側に設けられた第３巻線の巻数比を最小としたものである。
以下、実施の形態２の内燃機関用点火装置の効果について説明する。
実施の形態１におけるトランス３の一次側の第１巻線と二次側の第２巻線の巻数比は、高周波交流電源２から点火プラグ６に印加したい電圧の昇圧比によって決定されるが、第１巻線、第２巻線、第３巻線の巻数比は特に制限を設けていない。
実施の形態２では、トランス３の一次側の第３巻線の巻数を最小の１とすると、絶縁放電点火時と高周波交流点火時に第３巻線に印加される電圧を低減することができる。バイパス回路４のスイッチの印加電圧は、トランス３の第３巻線に印加される電圧と等しく、第３巻線への印加電圧を低圧化することで、スイッチの要求耐圧を低減できる。低耐圧な半導体素子は特性としてオン抵抗が小さいものが多いため、絶縁破壊放電時の放電電流を整流する際に発生する導通損失を低減することが可能となる。
【００２２】
実施の形態３．
上記実施の形態１〜２において、トランス３の第３巻線に接続されたバイパス回路４は、スイッチのみの構成であったが、実施の形態２の内燃機関用点火装置のバイパス回路４では、スイッチと直列に抵抗を設けた構成としているが、バイパス回路４を異なる構成として、インピーダンスマッチング回路５からのエネルギーを消費する放電エネルギー消費手段として機能する他の実施の形態を説明する。
図３は、実施の形態３の内燃機関用点火装置の構成を示すものであり、実施の形態１との違いは、バイパス回路４の構成が、スイッチと抵抗の直列接続構成になっていることである。この抵抗を挿入する効果について、各電源の動作タイミングを示す図４に基づき説明する。
【００２３】
点火周波数は、回転数〔ｒｐｍ〕によって定義され、回転数〔ｒｐｍ〕／６０が、点火周波数〔Ｈｚ〕となる。絶縁破壊放電点火時には、インピーダンスマッチング回路５の共振用コンデンサに同じ高電圧が印加され、図４（ａ）に示すように絶縁破壊放電用電源がオフとされた後、図４（ｄ）に示すように、充電エネルギーが、共振用リアクトルと共振用コンデンサの容量で決定される共振周波数で振動しながら放電される。この放電電流は、バイパス回路４と高周波交流電源２に流入し、放電電流の共振が十分に減衰した後に、図４（ｂ）に示すようなタイミングで高周波点火動作を行う。高周波点火動作期間は、０．１ｍｓ〜１．０ｍｓのオーダーで動作させられる。その後、次の絶縁破壊放電点火までの期間は絶縁破壊放電用電源７と高周波交流電源２は共に動作せず、この繰り返しを点火周波数で行う。ここで、バイパス回路４の半導体スイッチは、実施の形態１と同様、図４（ｃ）に示すように、絶縁破壊放電の開始前からオンにして、第３巻線を短絡させて、放電電流を高周波交流電源２とバイパス回路４に分流し、放電電流の共振が十分に減衰した後に、オフにし、高周波交流電源２から高周波点火動作を始動する。これにより、トランス３の一次側の第３巻線の影響を受けることなく、高周波点火動作を行うことができる。
【００２４】
しかし、絶縁破壊放電点火から高周波点火までの期間が開きすぎると、絶縁破壊放電点火時に発生した火花が消失し、高周波点火動作による火花の増幅が行われず、着火性に課題が生じる。そこで、絶縁破壊放電で生じた火花が失火する前に高周波点火動作を行う必要があり、絶縁破壊放電点火から高周波点火を投入するまでの時間は短いことが好ましく、絶縁破壊放電点火から高周波点火を投入するまでの時間を短くするために、バイパス回路４では、スイッチと直列に抵抗を設けた構成としている。抵抗を挿入することでバイパス回路４のインピーダンスが高くなり、高周波交流電源２とバイパス回路４の分流比が変化し、バイパス回路４に流れる電流量は低減し、放電電流が早期に減衰することによって、高周波交流点火の投入を早めることができる。これにより、失火せずに安定した点火動作を行うことができる。
【００２５】
実施の形態４．
実施の形態４の内燃機関用点火装置は、実施の形態１のトランス３の二次側の第２巻線を多出力の構成とし、インピーダンスマッチング回路５を並列に接続することで、多気筒の内燃機関点火装置に対して、一つの高周波交流電源２とトランス３で対応させたものである。以下、実施の形態４の内燃機関用点火装置の構成について、図５に基づいて説明する。
【００２６】
直流電源１とトランス３の第１巻線の間に高周波交流電源２を接続し、トランス３の第２巻線を複数の点火プラグ６の数に応じた出力を用意し、点火プラグ６の数に応じて用意されたインピーダンスマッチング回路５にそれぞれ接続する。それぞれのインピーダンスマッチング回路５は、点火プラグ６と絶縁破壊放電用電源７に接続されている。トランス３の一次側の第３巻線は、トランス３の第３巻線の開放と短絡とを切り替えるバイパス回路４に接続されている。
この構成の場合、高周波交流電源２とトランス３の台数は複数台用意することなく、１台のまま複数気筒への対応が可能となる。つまり、高周波交流電源２とトランス３が共通化できるため、装置の小型化が可能となる。
【００２７】
また、複数の点火プラグ６を備える内燃機関用点火装置の点火タイミングは、等しい位相差をもったタイミングで点火することになる。例えば、点火プラグ６が４本の構成の場合、３６０度／４＝９０度の位相差をもって順次点火動作を行うことになる。そのため、バイパス回路４の動作は、４本の点火プラグ６の点火動作に合わせ９０度毎に動作させることで、トランス３の第３巻線を多出力化させることなく実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
実施の形態５．
実施の形態５の内燃機関用点火装置は、実施の形態４のトランス３の多出力巻線を第１巻線にも適用し、トランス３の第３巻線とバイパス回路４を削除した回路構成としたものである。すなわち、放電エネルギー消費手段の形態を変更したものである。以下、実施の形態５の内燃機関用点火装置の構成について、図６に基づいて説明する。
直流電源１と多出力化されたトランス３の一次側の第１巻線に点火プラグの数に応じた数の高周波交流電源２を並列接続し、トランス３の第２巻線を点火プラグの数に応じた数の出力を用意し、点火プラグの数に応じたインピーダンスマッチング回路５をそれぞれの出力に接続する。そして、各々のインピーダンスマッチング回路５は点火プラグ６と絶縁破壊放電用電源７に接続される。
【００２９】
上記の構成により、インピーダンスマッチング回路５からの放電電流は、並列接続された高周波交流電源２のそれぞれに分流されるため、１台あたりに流れる放電電流量が低減され、実施の形態１〜５で用いられていたトランス３の第３巻線とバイパス回路４で構成されるバイパス機能を削除することができる。
また、図６では、高周波交流電源２及びインピーダンスマッチング回路５が点火プラグ６の数に応じて、同数を用意して接続した例を示しているが、高周波交流電源２の台数は点火プラグ６の数と同数であることが絶対の条件ではなく、任意の台数で構成することが可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１    直流電源、２    高周波交流電源、３    トランス、４    バイパス回路、５    インピーダンスマッチング回路、６    点火プラグ、７    絶縁破壊放電用電源、８    制御装置
【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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【図６】
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