(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次巻線が、内燃機関に装着された点火プラグと共に閉ループを形成する点火コイルと、
内燃機関の回転に同期して前記点火コイルの一次巻線に一定時間通電し、該通電電流の遮断により前記二次巻線に点火用高電圧を発生させて、前記点火プラグを火花放電させる火花放電発生手段と、
を備えた内燃機関用点火装置であって、
外部からの指令に従い、前記点火コイルの一次巻線の両端を短絡する一次巻線短絡手段と、
内燃機関の運転状態に基づき、前記点火プラグの火花放電によって混合気を燃焼させるのに要する火花放電持続時間を算出する火花放電持続時間算出手段と、
該火花放電持続時間算出手段にて０．２［mSec］以上となる範囲で算出された火花放電持続時間に応じて、前記一次巻線短絡手段を動作させて前記点火コイルの一次巻線の両端を短絡することで、前記点火プラグの火花放電を強制的に遮断する火花放電遮断手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項２】
前記一次巻線短絡手段が、外部からの指令に従い、前記点火コイルに蓄積された磁束を消費する方向にのみ通電を許容して、前記点火コイルの一次巻線の両端を短絡した後、許容方向の電流が流れなくなることで一次巻線の両端を開放するスイッチング素子にて構成されたこと
を特徴とする請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項３】
前記内燃機関は、燃料として気体燃料を用いるガスエンジンであること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用点火装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点火プラグに点火用高電圧を印加して、点火プラグを火花放電させる内燃機関用点火装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において、混合気の正常な燃焼を得るために必要な火花エネルギの大きさは、内燃機関の運転状態によって異なることが知られている。ここで、火花エネルギは、火花放電で流れる電流の大きさおよび放電時間として表すことができる。
【０００３】
例えば、アイドリング運転等の低回転低負荷時では、燃焼室への混合気の充填量は少なく、混合気の流動も遅いため、混合気の燃焼は非常に緩慢に進む。したがって、低回転低負荷時には、火花エネルギを大きくして、混合気の燃焼を助ける必要がある。一方、高回転高負荷時では、燃焼室への混合気の充填量は多く、混合気密度が高くなるので、燃焼は早く進むため、比較的小さい火花エネルギで充分である。
【０００４】
また、混合気の空燃比が異なる場合においても、必要な火花エネルギの大きさは異なり、例えば、リーンバーンエンジン等で行われる、空燃比２０以上の希薄空燃比での運転時には、燃料の密度が低く混合気への着火性が悪くなるため、火花エネルギを大きくする必要がある。
【０００５】
このため、従来の内燃機関用点火装置では、火花エネルギが不足することのないよう、内燃機関の様々な運転状態の中で必要とされる最大の火花エネルギを供給できるようにしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうした従来の点火装置では、必要最大の火花エネルギより少ない火花エネルギで運転可能な状態では、火花エネルギの供給が過剰になる。この過剰な火花エネルギの供給は、混合気への着火性に何等寄与しないばかりか、点火プラグの電極温度が過剰に上昇して、その電極の消耗を早めてしまう。特に、希薄空燃比で燃焼する内燃機関では、希薄な燃料を火花放電時前までに均一に拡散させた混合気としなければ着火性が安定して得られないため、混合気の乱流（スワール流やタンブル流）を強く（速く）しなければならないことが知られている。そのため、この乱流の影響により火花エネルギが低下する火花放電の後半時に、火花放電が吹き消え、再度発生するといった繰り返し現象（多重放電）を引き起こしてしまう虞がある。この多重放電が発生すると、点火プラグの電極温度が過剰に上昇してその電極の消耗を早めてしまうばかりか、火花放電が電極の一部に集中し易く電極の消耗に偏りを生じるため、点火プラグの耐久性に悪影響を及ぼすことになる。
【０００７】
一方、近年、内燃機関用点火装置では、点火プラグに点火用高電圧を印加するために点火コイルの一次巻線への通電・非通電を切り換えるスイッチとして、パワートランジスタ等の半導体素子からなるスイッチング素子を使用する、所謂フルトランジスタ型の点火装置が一般的になっている。そして、こうしたフルトランジスタ型の点火装置によれば、点火コイルの一次巻線への通電時間を、スイッチング素子の駆動時間（オン時間）を調整することにより、容易に制御できる。このため、この種の内燃機関用点火装置では、内燃機関の運転状態に応じて、点火コイルの一次巻線への通電時間を制御することにより、火花エネルギを混合気の燃焼に必要な量に制御できることになる。
【０００８】
しかし、点火コイルの一次巻線への通電時間を制御するようにした場合、通電時間を短くすると、通電により点火コイルに蓄積されるエネルギが小さくなるので、通電遮断によって二次巻線に発生する点火用高電圧も低くなってしまう。この結果、上記のような通電時間の制御では、例えば、内燃機関の高負荷高回転時のように、火花エネルギは比較的小さくてもよいが、火花放電のための要求電圧は高くなる運転条件下では、点火コイルの一次巻線への通電遮断時に二次巻線に発生する点火用高電圧が低くなりすぎ、点火コイルを火花放電させることができず、失火を招く虞がある。
【０００９】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、内燃機関用点火装置において、点火コイルの一次巻線への通電時間を制御することなく、点火プラグに供給する火花エネルギを必要最小限に抑え、特に希薄空燃比で燃焼する内燃機関においては、点火プラグでの多重放電の要因となる過剰な火花エネルギの供給を抑え、点火プラグの耐久性を向上することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、二次巻線が、内燃機関に装着された点火プラグと共に閉ループを形成する点火コイルと、内燃機関の回転に同期して点火コイルの一次巻線に一定時間通電し、この通電電流の遮断により二次巻線に点火用高電圧を発生させて、点火プラグを火花放電させる火花放電発生手段と、を備えた内燃機関用点火装置であって、外部からの指令に従い、点火コイルの一次巻線の両端を短絡する一次巻線短絡手段と、内燃機関の運転状態に基づき、点火プラグの火花放電によって混合気を燃焼させるのに要する火花放電持続時間を算出する火花放電持続時間算出手段と、この火花放電持続時間算出手段にて０．２［mSec］以上となる範囲で算出された火花放電持続時間に応じて、一次巻線短絡手段を動作させて前記点火コイルの一次巻線の両端を短絡することで、点火プラグの火花放電を強制的に遮断する火花放電遮断手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
このように、火花放電が発生している時に、一次巻線短絡手段によって一次巻線の両端を短絡すると、点火コイルに残されている磁束によって、一次巻線と一次巻線短絡手段とで形成される閉ループに電流が流れ始める。そして、この電流が次第に増加していき、点火コイルの鉄芯に残されている磁束によって発生可能な電流値に達すると、火花発生時に二次巻線に発生していた点火用高電圧とは逆極性の電圧が二次巻線に誘導されるため、点火プラグでの火花放電が強制的に遮断される。
【００１２】
そして、一次巻線の両端の短絡は、火花遮断時期よりも早い時期に実行する必要があるが、一次巻線の両端を短絡してから火花放電が遮断されるまでの時間は、点火コイルに残されている磁束が多いほど長くなり、残されている磁束が少ないほど短くなる。点火コイルに残されている磁束の大きさは、火花放電持続時間によって決まることから、一次巻線の両端を短絡する時期を、火花放電持続時間に基づいて設定すれば、正確な時期に火花遮断を行うことが可能になる。
【００１３】
つまり、本発明（請求項１）において注目すべき点は、火花放電前における点火コイルの一次巻線への通電時間を制御するのではなく、火花放電持続時間算出手段が内燃機関の運転状態に基づいて０．２［mSec］以上となる範囲で算出した火花放電持続時間に応じて一次巻線の両端を短絡することで、点火プラグの火花放電持続時間の制御を行い、点火プラグに過剰な火花エネルギが供給されることを防止する点にある。
【００１４】
このため、本発明によれば、火花放電前の一次巻線への通電時間を可変せずに充分長くすることができ、それにより、二次巻線に発生する点火用高電圧を、内燃機関のあらゆる運転条件下で確実に火花放電できる電圧にした状態で、点火プラグに供給される火花エネルギを制御することが可能になる。例えば、内燃機関の高負荷高回転時のように、火花エネルギが少なくてよい運転条件下では、高い点火用高電圧にて点火プラグを確実に火花放電させつつ、火花放電持続時間を短くすることで、点火プラグへの火花エネルギの過剰供給を抑えるといったことができる。また、逆に、内燃機関の低回転時のように混合気が着火しにくい運転条件下では、火花放電持続時間を長くして混合気を確実に燃焼させる、といったことができる。そして、火花放電持続時間を内燃機関の運転状態に基づいて最適に制御することにより、多重放電の発生も抑制できることから、点火プラグの電極の消耗を抑え、点火プラグの寿命を延ばすこともできる。
【００１５】
ところで、火花放電を強制遮断するには、火花放電を発生するために一次巻線に電流を流していた外部電源とスイッチング手段とを用いて、再度、一次巻線に電流を流すようにしてもよい。この方法によれば、外部電源により強制的に一次巻線に電流が流されるため、スイッチング手段を短絡した後、火花放電が遮断されるまでの時間が短くなり、火花放電持続時間をより短く設定することが可能になる。しかし、この方法では、外部電源によって電流が供給されるため、一次巻線に通電される電流量が大きくなりがちで、スイッチング手段として半導体素子を用いた場合、半導体素子の発熱量が大きくなりがちである。このため、スイッチング手段として用いる半導体素子としては、発熱に耐えられる耐久性に優れた高価な半導体素子を用いる必要があり、コストが高くなるという問題が発生する。また、低価格の半導体素子を複数設けて、通電電流を分散させて半導体素子の発熱量を抑えることも出来るが、部品点数が多くなり制御処理が複雑になってしまう。
【００１６】
これに対して、本発明（請求項１）の内燃機関用点火装置では、外部電源による再通電によって火花遮断するものではないことから、火花遮断時に一次巻線に通電される電流量を小さくすることができ、一次巻線短絡手段として半導体素子を用いる場合に、耐久性に優れた高価な半導体素子を用いる必要がない。また、一次巻線短絡手段は一次巻線の両端を短絡できれば良いことから、例えば、単数のスイッチング素子を用いることで実現でき、制御処理を単純化することができる。
【００１７】
このため、本発明（請求項１）によれば、火花遮断を行うための内燃機関用点火装置を、低コストの部品材料を用いて、部品点数の少ない単純な構成で実現することが出来る。
一方、前述したように、一次巻線短絡手段は一次巻線の両端を短絡できれば良いことから、例えば、トランジスタや双方向性三端子サイリスタのような半導体スイッチング素子の他、機械式のリレースイッチ等を用いてもよい。しかし、点火コイルに残された磁束を完全に消費する前に一次巻線の両端を開放してしまうと、一次電流が急激に遮断されて再度火花放電が発生してしまう虞があるため、一次巻線に電流が流れなくなるまでは一次巻線の両端を短絡する必要がある。そして、前述したように、点火コイルに残された磁束の大きさは、火花放電持続時間によって異なるため、一次巻線の両端を開放する時期は、火花放電持続時間に基づいて設定する必要がある。
【００１８】
そこで、一次巻線短絡手段を、請求項２に記載の発明のように、外部からの指令に従い、前記点火コイルに蓄積された磁束を消費する方向にのみ通電を許容して、前記点火コイルの一次巻線の両端を短絡した後、許容方向の電流が流れなくなることで一次巻線の両端を開放するスイッチング素子にて構成するとよい。
【００１９】
つまり、一次巻線短絡手段が、外部からの指令によって一次巻線の短絡を開始した後、外部からの指令に依らず、一次巻線に電流が流れなくなることで、自動的に一次巻線の両端を開放する動作を行うのである。このため、一次巻線を開放する時期を火花放電持続時間に基づいて設定して一次巻線短絡手段を開放させる制御処理を行う必要がなくなり、一次巻線短絡手段の制御処理を簡略化することができる。
【００２０】
また、点火コイルに残された磁束が完全に消費される前に、火花放電前の一次巻線への通電が開始された場合にも、許容方向とは反対の電流が流れるよう電圧が印加されることから、一次巻線短絡手段は、一次巻線の両端を開放することになる。このため、火花放電前の一次巻線通電時に一次巻線短絡手段が誤って一次巻線の両端を短絡してしまい、点火コイルへの火花エネルギの蓄積を妨害してしまうことを防止できる。
【００２１】
なお、このように一次巻線の両端を短絡する方法としては、ｐｎｐ型トランジスタ（Ｔｒ１）とｎｐｎ型トランジスタ（Ｔｒ２）とで構成した回路で一次巻線の両端を短絡する方法や、あるいは、外部指令信号がゲートに入力されるサイリスタによって一次巻線の両端を短絡する方法などがある。
【００２２】
例えば、トランジスタで構成した回路で一次巻線の両端を短絡するには、Ｔｒ１のベースとＴｒ２のコレクタを接続し、Ｔｒ１のコレクタとＴｒ２のベースを接続し、Ｔｒ１およびＴｒ２のエミッタを各々一次巻線に接続して構成した回路を用いるとよい。そして、この回路は、Ｔｒ２のベースに入力される外部指令信号がハイレベルになると、Ｔｒ２がオン状態になると共に、Ｔｒ１にベース電流が流れてＴｒ１がオン状態となる。すると、Ｔｒ１のコレクタを介してＴｒ２にベース電流が供給されるため、外部指令信号をローレベルとした後も、Ｔｒ２にベース電流が供給されている間は、Ｔｒ１およびＴｒ２がオン状態を維持し、一次巻線に一次電流を流すことになる。そして、一次電流が小さくなりＴｒ２がオフ状態になると、Ｔｒ１もオフ状態となり、一次巻線の両端を開放する。これにより、一次巻線の両端の開放する時期を設定し、一次巻線短絡手段を開放する制御処理を行う必要がなくなる。なお、本回路では、Ｔｒ１のエミッタから電流が流入し、Ｔｒ２のエミッタから電流が流出する方向にのみ通電を許容して、一次巻線に電流を流すことになる。
【００２３】
また、サイリスタを用いて一次巻線の両端を短絡するには、後述する実施例に示すようにサイリスタを一次巻線と並列に接続するとよい。後述する実施例の回路によれば、ゲートに入力される外部指令信号がハイレベルになりサイリスタがオン状態になると、サイリスタの通電可能方向にのみ通電が許容されて一次巻線の両端が短絡され一次電流が流れる。このあと、ゲートに入力される外部指令信号をローレベルとしても、一次電流が通電されている間はサイリスタのオン状態が継続される。そして、一次電流が流れなくなるとサイリスタがオフ状態となり、一次巻線の両端を開放する。このようにサイリスタを用いる方法は、単数の半導体素子（サイリスタ）で構成可能であり、トランジスタにより構成する回路のように複数の半導体素子を用いる必要が無いことから、単純な構成で安価に実現することが可能という利点がある。
【００２４】
したがって、本発明（請求項２）によれば、火花遮断における制御処理が簡略化できるとともに、点火コイルへの火花エネルギの蓄積を妨害する誤動作を防ぐことが出来るようになり、低コストで信頼性の高い内燃機関用点火装置を実現できる。
【００２５】
次に、上述の請求項１または請求項２に記載の内燃機関用点火装置は、請求項３に記載のように、燃料として気体燃料を用いるガスエンジンで使用することで、より効果を発揮する。
気体燃料は、液体燃料であるガソリンに比べて絶縁性が高いため、相対的に火花放電電圧が高くなる。従って、気体燃料を用いるガスエンジン向けの点火コイルとしての最大二次電圧発生能力は、ガソリンエンジン向けのそれよりも高く設定しておく必要がある（例えば、ガソリンエンジン向けの点火コイルとしての最大二次電圧が３０ｋＶ以上とすれば、ガスエンジン向けのそれは４０ｋＶ以上に設定）。そこで、点火コイルの設計としては、一次巻線と二次巻線との一次／二次の巻き数比および巻き数を増やすこと、或いは遮断するための一次電流値を上げることが必要になる。しかしながら、前述のように点火コイルを設計することで、最大二次電圧発生能力は上昇するが、同時に火花エネルギも増加してしまう問題がある。このことは、火花放電持続時間と最大二次電流の相反する関係が関わっており、火花放電持続時間を短くするように設計する（点火コイルの設計としては、一次／二次の巻き数比を少なくする）と、二次電流のピーク値が大きくなってしまい、エネルギ密度が上昇することにより点火プラグの電極の消耗が促進されてしまう。また、二次電流値を少なくするように設計する（点火コイルの設計としては、一次／二次の巻き数を多くする）と、二次電流のピーク値は下がる代わりに火花放電持続時間が長くなってしまい、点火プラグの電極の消耗に影響を及ぼしてしまう。即ち、ガスエンジンではガソリンエンジンに比べ、点火プラグへの不要な火花エネルギの供給量が多くなることが考えられ、点火プラグの寿命をより短くしてしまう虞がある。
【００２６】
このため、請求項３に記載のように、気体燃料を用いるガスエンジンに対して、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用点火装置を適用すれば、燃料への着火を確実に行うとともに、低コストでプラグの電極消耗を抑制できるという、前述の効果をより発揮することができるのである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を図面と共に説明する。
まず、図１は、第１実施例の内燃機関用点火装置の構成を表す電気回路図である。なお、本実施例では、単気筒の内燃機関について説明を行なうが、本発明は複数の気筒を備える内燃機関についても適用でき、各気筒毎の点火装置の基本構成は同様である。
【００２８】
図１に示すように、実施例の内燃機関用点火装置１は、放電用の電気エネルギ（例えば電圧１２Ｖ）を供給する電源装置（バッテリ）１１と、内燃機関の気筒に設けられた点火プラグ１３と、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２とからなる点火コイル１５と、一次巻線Ｌ１と直列接続されたｎｐｎ型のトランジスタ１７と、一次巻線Ｌ１の両端を短絡するために一次巻線Ｌ１と並列接続されたサイリスタ２１と、トランジスタ１７及びサイリスタ２１に対して、第１指令信号Ｓａ及び第２指令信号Ｓｂを各々出力する電子制御装置（以下、ＥＣＵと呼ぶ）１９と、を備えている。
【００２９】
これらのうち、トランジスタ１７は、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１への通電・非通電を切り換える前述の半導体素子からなるスイッチング素子であり、本実施例の内燃機関用点火装置１は、フルトランジスタ型の点火装置である。
そして、一次巻線Ｌ１の一端は電源装置１１の正極に接続され、他端はトランジスタ１７のコレクタに接続されている。また、二次巻線Ｌ２の一端は、整流素子Ｄを介して、電源装置１１の正極に接続されている一次巻線Ｌ１の一端に接続され、他端は点火プラグ１３の中心電極１３ａに接続されている。そして、点火プラグ１３の外側電極１３ｂは、電源装置１１の負極と同電位のグランドに接地されており、トランジスタ１７のベースはＥＣＵ１９と接続され、トランジスタ１７のエミッタはグランドに接地されている。また、サイリスタ２１は、カソードが一次巻線Ｌ１と電源装置１１との接続端に、アノードが一次巻線Ｌ１とトランジスタ１７との接続端に、ゲートがＥＣＵ１９に接続されている。
【００３０】
そして、ＥＣＵ１９からトランジスタ１７に対して出力される第１指令信号Ｓａがローレベル（一般にグランド電位）である場合には、トランジスタ１７にベース電流は流れず、トランジスタ１７はオフ状態となり、トランジスタ１７を通じて一次巻線Ｌ１に電流が流れることはない。また、第１指令信号Ｓａがハイレベルである場合には、トランジスタ１７はオン状態となり、電源装置１１の正極側から点火コイル１５の一次巻線Ｌ１を通って電源装置１１の負極側に至る、一次巻線Ｌ１の通電経路を形成し、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１を流す。
【００３１】
したがって、第１指令信号Ｓａがハイレベルであり、一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れている状態の時に、第１指令信号Ｓａがローレベルになると、トランジスタ１７がターンオフし、一次巻線Ｌ１への一次電流ｉ１の通電を停止（遮断）させることになる。すると、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２に点火用高電圧が発生し、これが点火プラグ１３に印加されることで、点火プラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に火花放電が発生する。
【００３２】
尚、点火コイル１５は、トランジスタ１７による一次巻線Ｌ１への通電遮断により、点火プラグ１３の中心電極１３ａ側にグランド電位よりも低い負の点火用高電圧を発生させるように構成されており、火花放電に伴い二次巻線Ｌ２に流れる二次電流ｉ２は、点火プラグ１３の中心電極１３ａから二次巻線Ｌ２を通って、一次巻線Ｌ１側に流れる。また、二次巻線Ｌ２と一次巻線Ｌ１との接続部分には、二次巻線Ｌ２から一次巻線Ｌ１側に電流が流れるのを許容し、逆方向への電流の流れを阻止するために、ダイオード等からなる整流素子Ｄが設けられている。本実施例では、整流素子Ｄとして、アノードが二次巻線Ｌ２に、カソードが一次巻線Ｌ１に接続されたダイオードを設けており、整流素子Ｄの動作によって、トランジスタ１７のターンオン時（一次巻線Ｌ１への通電開始時）に二次巻線Ｌ２に電流が流れるのが阻止される。
【００３３】
次に、ＥＣＵ１９からサイリスタ２１に対して出力される第２指令信号Ｓｂがローレベルである場合には、サイリスタ２１がオフ状態となるため、一次巻線Ｌ１の両端がサイリスタ２１により短絡されることはない。また、第２指令信号Ｓｂがハイレベルである場合、サイリスタ２１がオン状態となり、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１の両端が短絡されて、一次巻線Ｌ１とサイリスタ２１による閉ループが形成される。なお、サイリスタ２１がオン状態のとき、一次巻線Ｌ１に流れる電流は、トランジスタ１７がオン状態のときに流れる方向と同じ方向にのみ、流れることが許容される。
【００３４】
続いて、図２に、図１に示す回路図における、第１指令信号Ｓａ、第２指令信号Ｓｂ、点火プラグ１３の中心電極１３ａの電位Ｖｐ、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１に流れる一次電流ｉ１、の各状態を表すタイムチャートを示す。
図２における時刻ｔ１にて、第１指令信号Ｓａをローからハイレベルに切り換え、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１を流し、その後、予め設定された通電時間が経過した時刻ｔ２にて、第１指令信号Ｓａをハイからローレベルに切り換え、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１への一次電流ｉ１の通電を遮断すると、点火プラグ１３の中心電極１３ａに負の点火用高電圧が印加されて、その電位Ｖｐが急峻に低下し、点火プラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に火花放電が発生する。
【００３５】
そして、点火プラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に火花放電が発生し、内燃機関の運転状態に基づいて算出された火花放電持続時間が経過した時刻ｔ３にて、第２指令信号Ｓｂをローからハイレベルに切り替え、サイリスタ２１をオン状態にして一次巻線Ｌ１の両端を短絡すると、点火コイル１５に残されている磁束によって、一次巻線Ｌ１とサイリスタ２１とにより形成される閉ループに一次電流ｉ１が流れ始める。そして、この一次電流ｉ１が次第に増加していき、点火コイル１５の鉄芯に残されている磁束によって発生可能な電流値にまで一次電流ｉ１が達すると（時刻ｔ４）、火花発生時に二次巻線Ｌ２に発生していた点火用高電圧とは逆極性の電圧が二次巻線Ｌ２に誘導されるため、点火プラグ１３での火花放電が強制的に遮断される。
【００３６】
なお、点火プラグ１３での火花放電を強制的に遮断するときの一次電流ｉ１の値（以下、火花遮断電流値ｉｔという）は、点火コイル１５の磁束−磁界特性（Ｂ−Ｈ特性）によって決定される。つまり、火花放電が遮断されるのは、一次電流ｉ１により発生する磁界Ｈ［Ａ／ｍ］が、Ｂ−Ｈ特性上において、点火コイル１５に残されている磁束Ｂ［Ｔ］に対応する磁界Ｈに達したときに、点火用高電圧とは逆極性の電圧が二次巻線Ｌ２に誘導されるためである。そして、点火コイル１５に一次電流ｉ１を流すことで発生する磁界Ｈが、火花放電を遮断する磁界Ｈとなるときの一次電流ｉ１の電流値が火花遮断電流値ｉｔとなる。
【００３７】
また、点火コイル１５のＢ−Ｈ特性は、一般的に磁束Ｂが大きいほど磁界Ｈは大きくなるため、点火コイル１５に残されている磁束Ｂが大きいほど、火花遮断電流値ｉｔは大きくなる。そのため、点火コイル１５に残されている磁束Ｂが大きいほど、サイリスタ２１をオン状態にした後、一次電流ｉ１が火花遮断電流値ｉｔに達するまでの所要時間（以下、電流到達所要時間Ｔｓという）は長くなる。
【００３８】
そして、一次電流ｉ１が火花遮断電流値ｉｔに到達して、点火プラグ１３での火花放電が遮断されると、それまで増加していた一次電流ｉ１が減少し始める。すると、一次電流ｉ１の通電が続くと、点火コイル１５に残されていた磁束が一次巻線Ｌ１の内部抵抗によって消費されて、一次電流ｉ１が徐々に減少していき、磁束が消費されると一次電流ｉ１は流れなくなる。このとき（時刻ｔ５）、第２指令信号Ｓｂがハイからローレベルに切り替えられて、サイリスタ２１がターンオフして、一次巻線Ｌ１とサイリスタ２１とによる閉ループが開放される。このようにして、内燃機関の１燃焼サイクルにおける火花放電が終了する。
【００３９】
次に、このようにＥＣＵ１９において実行される点火制御処理を、図３に示すフローチャートに沿って説明する。
なお、ＥＣＵ１９は、内燃機関の火花放電発生時期、燃料噴射量、アイドル回転数等を総合的に制御するためのものであり、以下に説明する点火制御処理のために、別途、内燃機関の吸入空気量（吸気管圧力），回転速度，スロットル開度，冷却水温，吸気温等、機関各部の運転状態を検出する運転状態検出処理を行っている。
【００４０】
図３に示す点火制御処理は、例えば、内燃機関の回転角度（クランク角）を検出するクランク角センサからの信号に基づき、内燃機関が、吸気、圧縮、燃焼、排気を行う１燃焼サイクルに１回の割合で実行される。
そして、この点火制御処理が開始されると、まずＳ１１０（Ｓはステップを表す）にて、別途実行される運転状態検出処理にて検出された機関の運転状態を読込み、Ｓ１２０にて、その読み込んだ運転状態に基づき、火花放電発生時期（いわゆる点火時期）ｔｓ、火花放電持続時間Ｔｔ、第２指令信号Ｓｂのハイレベル変更時期ｔｂおよび第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂを算出する。
【００４１】
なお、火花放電発生時期ｔｓは、例えば、内燃機関の吸入空気量と回転速度をパラメータとするマップ若しくは計算式を用いて制御基準値を求め、これを冷却水温，吸気温等に基づき補正する、といった手順で算出される。
また、火花放電持続時間Ｔｔは、例えば、内燃機関の回転速度と機関負荷を表すスロットル開度とに基づき、混合気を燃焼させるのに要する火花エネルギが大きい運転条件下（内燃機関の低負荷低回転時等）では長く、火花エネルギが小さくてよい運転条件下（高負荷高回転時等）では短くなるように、予め設定されたマップ若しくは計算式を用いて算出される。
【００４２】
そして、第２指令信号Ｓｂのハイレベル変更時期ｔｂは、火花放電発生時期ｔｓから火花放電持続時間Ｔｔが経過した火花遮断時期で火花放電を遮断するように、火花遮断時期よりも電流到達所要時間Ｔｓだけ早い時刻が設定される。なお、電流到達所要時間Ｔｓは、火花放電持続時間Ｔｔが長い場合（点火コイル１５に残されている磁束Ｂが少ない場合）には短く、火花放電持続時間Ｔｔが短い場合（点火コイル１５に残されている磁束Ｂが多い場合）には長くなるように、例えば、火花放電持続時間Ｔｔに基づいて、予め設定されたマップ若しくは計算式を用いて算出される。
【００４３】
さらに、第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂは、例えば、火花放電持続時間Ｔｔに基づいて、点火コイル１５に残された磁束Ｂが消費されるまでサイリスタ２１のオン状態を継続するように、予め設定されたマップ若しくは計算式を用いて算出される。なお、第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂは、火花放電持続時間Ｔｔが長い場合（点火コイル１５に残されている磁束Ｂが少ない場合）には短く、火花放電持続時間Ｔｔが短い場合（点火コイル１５に残されている磁束Ｂが多い場合）には長くなるように設定される。
【００４４】
次に、Ｓ１３０では、Ｓ１２０にて算出した火花放電発生時期ｔｓよりも、予め設定された一次巻線Ｌ１の通電時間だけ早い、一次巻線Ｌ１の通電開始時期を求め、通電開始時期に達した時点（図２に示す時刻ｔ１）で、第１指令信号Ｓａをローからハイレベルに変化させる。
【００４５】
Ｓ１３０の処理により、第１指令信号Ｓａをローからハイレベルに切り換えると、トランジスタ１７がオン状態になるため、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１に一次電流ｉ１が流れる。また、火花放電発生時期ｔｓまでの一次巻線Ｌ１の通電時間は、一次巻線Ｌ１への通電によって、内燃機関のあらゆる運転条件下で混合気を燃焼させるのに要する最大の火花エネルギを点火コイル１５に蓄積させるのに要する時間となるように、予め設定されている。
【００４６】
そして、Ｓ１４０では、クランク角センサからの検出信号に基づき、Ｓ１２０で算出した火花放電発生時期ｔｓに達したか否かを判断し、否定判定された場合には、同ステップを繰り返し実行することで、火花放電発生時期ｔｓになるまで待機する。Ｓ１４０にて、火花放電発生時期ｔｓに達したと判断されると（図２に示す時刻ｔ２）、Ｓ１５０に移行する。
【００４７】
Ｓ１５０では、図２の時刻ｔ２に示したように、第１指令信号Ｓａをハイからローレベルに反転させる。この結果、トランジスタ１７がターンオフして、一次電流ｉ１が遮断されて、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２に点火用高電圧が誘導され、点火プラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に火花放電が発生する。
【００４８】
続いて、Ｓ１６０では、Ｓ１４０にて火花放電発生時期ｔｓに達したと判断された後、Ｓ１２０にて算出した火花放電持続時間Ｔｔで火花放電を遮断するように設定された第２指令信号Ｓｂのハイレベル変更時期ｔｂに達したか否かを判断し、否定判定された場合には、同ステップを繰り返し実行することで、第２指令信号Ｓｂのハイレベル変更時期ｔｂに達するまで待機する。そして、Ｓ１６０にて、第２指令信号Ｓｂのハイレベル変更時期ｔｂに達したと判断されると（図２に示した時刻ｔ３）、Ｓ１７０に移行し、第２指令信号Ｓｂをローからハイレベルに切り換える。
【００４９】
これにより、サイリスタ２１がオン状態となり、点火コイル１５に残っている磁束によって、一次巻線Ｌ１とサイリスタ２１とで形成される閉ループに一次電流ｉ１が流れ始める。そして、この一次電流ｉ１が増加して火花遮断電流値ｉｔに達すると（図２に示した時刻ｔ４）、点火プラグ１３での火花放電を強制的に遮断する。このあと、点火コイル１５に残されていた磁束が、一次巻線Ｌ１の内部抵抗によって消費されていき、一次巻線Ｌ１とサイリスタ２１との閉ループに流れる一次電流ｉ１が減少していく。
【００５０】
続く、Ｓ１８０では、Ｓ１６０で肯定判定された後、Ｓ１２０で算出された第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂが経過したか否かを判定しており、肯定判定された場合にはＳ１９０に移行し、否定判定された場合には、同じステップを繰り返し実行することで待機する。
【００５１】
そして、第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂが経過すると、Ｓ１８０にて肯定判定され（図２に示す時刻ｔ５）、Ｓ１９０に移行し、Ｓ１９０にて、第２指令信号Ｓｂをハイからローレベルに反転させて、本点火制御処理を終了する。
【００５２】
なお、本実施例では、第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂは、Ｓ１２０にて火花放電持続時間Ｔｔに基づき値を設定するようにしているが、サイリスタを用いて一次巻線の両端を短絡しているため、火花放電持続時間Ｔｔの長さに関わらす、第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂに固定値を設定してもよい。
【００５３】
つまり、一旦オン状態となったサイリスタは、外部条件によって電流が概略零になるまでオン状態を維持するため、一次電流ｉ１が流れている間は、第２指令信号Ｓｂがローレベルに切り換えられた後も、サイリスタ２１はオン状態を継続する。このため、第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂを、点火コイルの磁束が完全に消費される時間より短く設定し、第２指令信号Ｓｂをローレベルに反転させた場合でも、一次電流ｉ１が概略零になるまでサイリスタ２１はオン状態を継続する。このあと、一次電流ｉ１が概略零になった時点で自動的にサイリスタ２１はオフ状態となり、一次巻線Ｌ１の両端を開放する。
【００５４】
このため、サイリスタを用いた場合には、第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂを、火花放電持続時間Ｔｔに応じて設定することなく、固定値としても、最適な時刻で一次巻線Ｌ１の両端を開放することが可能になる。なお、固定値は、少なくともサイリスタをオン状態にすることが可能な長さとすればよい。
【００５５】
また、サイリスタ２１を用いると、点火コイル１５に残された磁束が完全に消費される前に火花放電前の一次巻線Ｌ１への通電が開始された場合に、サイリスタ２１には逆バイアスの電圧が印加されることから、一次巻線Ｌ１の両端を開放することになる。このため、サイリスタ２１を用いることで、火花放電前の一次巻線通電時に誤って一次巻線の両端を短絡してしまい、点火コイルへの火花エネルギの蓄積を妨害してしまうことを防止できる。
【００５６】
なお、サイリスタ２１に代わりに、例えば、第２指令信号Ｓｂがハイからローレベルに反転することで一次巻線の両端を開放するトランジスタを用いる際には、本実施例のように、第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂを火花放電持続時間Ｔｔに基づいて設定することで、正常に点火制御処理を行うことが出来る。
【００５７】
そして、図２に示す時刻ｔ５では、一次電流ｉ１は概略零であるため、第２指令信号Ｓｂがローレベルになるとともに、サイリスタ２１がオフ状態となる。
なお、図２のタイムチャートにおいて、時刻ｔ２が火花放電発生時期ｔｓに相当し、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの期間が火花放電持続時間Ｔｔに、時刻ｔ３が第２指令信号Ｓｂのハイレベル変更時期ｔｂに、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間が第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂに、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間が電流到達所要時間Ｔｓに各々相当している。
【００５８】
以上説明したように、本実施例の内燃機関用点火装置１においては、まず、ＥＣＵ１９が第１指令信号Ｓａによってトランジスタ１７をオン・オフさせることにより、点火コイル１５の二次巻線Ｌ２に誘導した点火用高電圧を点火プラグ１３に印加して、点火プラグ１３の電極１３ａ−１３ｂ間に火花放電を発生させる。そして、内燃機関の運転状態に基づいて算出した火花放電持続時間Ｔｔで火花放電を強制的に遮断するために、ＥＣＵ１９が第２指令信号Ｓｂをハイレベルに反転してサイリスタ２１をオン状態にし、一次巻線Ｌ１に電流を流して、火花放電を強制的に遮断している。
【００５９】
このため、本実施例によれば、点火コイル１５の一次巻線Ｌ１への火花放電前の通電時間を充分長くすることにより、二次巻線Ｌ２に発生させる点火用高電圧を、内燃機関のあらゆる運転条件下で確実に火花放電できる電圧した状態で、点火プラグ１３に供給される火花エネルギを抑えることが可能になる。したがって、例えば、内燃機関の高負荷高回転時のように、火花エネルギが少なくてよい運転条件下では、高い点火用高電圧にて点火プラグを確実に火花放電させつつ、火花放電持続時間Ｔｔを短くすることにより、点火プラグへの過剰な火花エネルギの供給を抑え、逆に、内燃機関の低回転時のように混合気が着火しにくい運転条件下では、火花放電持続時間Ｔｔを長くして、混合気を確実に燃焼させる、といったことができる。
【００６０】
そして、このように火花放電持続時間Ｔｔを内燃機関の運転状態によって最適に制御することにより、多重放電の発生も抑制でき、点火プラグ１３の中心電極１３ａおよび外側電極１３ｂの消耗を抑え、点火プラグ１３の寿命を延ばすことができる。
【００６１】
また、本実施例は、発熱に対する耐久性に優れた高価な半導体素子ではなく、単数のサイリスタ２１を設けることで、点火プラグ１３での火花放電を強制的に遮断することができ、火花遮断を行うための内燃機関用点火装置を、低コストの部品材料を用いて、部品点数の少ない単純な構成で実現することが出来る。
【００６２】
さらに、サイリスタを用いて一次巻線の両端を短絡する構成であることから、点火制御処理において、第２指令信号Ｓｂのハイレベル継続時間Ｔｂを固定値としても、正常に火花遮断を実現でき、点火制御処理の簡略化を図ることも可能である。また、サイリスタを用いることで、火花放電前の一次巻線通電時に点火コイルへの火花エネルギの蓄積を妨害してしまうことを防止でき、信頼性の高い内燃機関用点火装置を実現できる。
【００６３】
なお、本実施例では、トランジスタ１７及びＥＣＵ１９が、特許請求の範囲に記載の火花放電発生手段に相当するものであり、サイリスタ２１が一次巻線短絡手段に相当し、点火制御処理におけるＳ１２０が火花放電持続時間算出手段に相当し、点火制御処理におけるＳ１７０が火花放電遮断手段に相当するものである。
【００６４】
次に、本発明を適用した内燃機関用点火装置によって、火花放電の強制遮断が可能であることを確認するために、実際に火花遮断を行うとともに、その時の点火コイル１５の一次巻線に流れる一次電流ｉ１、および二次巻線Ｌ２に流れる二次電圧Ｖｐを測定した。
【００６５】
測定は、バッテリ電圧を１２［Ｖ］、火花放電前の一次巻線通電時間を４［ｍｓ］、通電遮断時の一次電流ｉ１を５［Ａ］として火花放電を発生させたあと、火花放電持続時間Ｔｔを変化させて、各火花放電持続時間Ｔｔ毎の一次電流ｉ１および二次電圧Ｖｐの変化を記録して行った。火花放電持続時間Ｔｔは、（ａ）火花放電を強制遮断しない場合、（ｂ）火花放電持続時間Ｔｔが２．０［ｍＳ］の場合、（ｃ）火花放電持続時間Ｔｔが１．０［ｍＳ］の場合、（ｄ）火花放電持続時間Ｔｔが０．５［ｍＳ］の場合、の４条件について測定を行った。
【００６６】
図４に、その測定結果の波形（グラフ）を示す。なお、（ａ）から（ｄ）の各測定結果には、ＩＧ信号、サイリスタゲート信号、一次電流ｉ１、二次電圧（点火プラグの中心電極の電位）Ｖｐの４本の波形を記載しており、各波形とも横軸レンジは、０．５［mSec］であり、また、各波形番号の矢印位置は、縦軸における各波形の基準となる０レベルを表している。
【００６７】
そして、波形１が、第１指令信号Ｓａに相当するＩＧ信号であり、縦軸レンジは（５Ｖ／ＤＩＶ）であり、ＩＧ信号のローレベル（０［Ｖ］）が第１指令信号Ｓａのハイレベルに、ＩＧ信号のハイレベル（５［Ｖ］）が第１指令信号Ｓａのローレベルに相当する。
【００６８】
次に、波形２が、第２指令信号Ｓｂに相当するサイリスタゲート信号であり、縦軸レンジは（５Ｖ／ＤＩＶ）であり、サイリスタゲート信号のローレベル（０［Ｖ］）が第２指令信号Ｓｂのローレベルに、サイリスタゲート信号のハイレベル（７［Ｖ］）が第２指令信号Ｓｂのハイレベルに相当する。
【００６９】
また、波形３が、一次電流ｉ１であり、縦軸レンジは（２Ａ／ＤＩＶ）である。そして、波形４が、二次電圧Ｖｐであり、縦軸レンジは（１ｋＶ／ＤＩＶ）である。
（ａ）火花放電を強制遮断しない場合
この場合には、ＩＧ信号（波形１）がローからハイレベルに反転した後、二次電圧Ｖｐが負側に大きく変動し火花放電が開始され、火花放電発生からおよそ３．０［ｍＳ］経過した後に電圧値が変動して０［Ｖ］となり、火花放電は自然に遮断されている。
【００７０】
（ｂ）火花放電持続時間Ｔｔが２．０［ｍＳ］の場合
この場合、火花放電が開始された後、サイリスタゲート信号（波形２）がローからハイレベルに反転すると、一次電流ｉ１（波形３）が増加して、およそ１．２［Ａ］に達したところで、二次電圧Ｖｐ（波形４）が変動して０［Ｖ］となり、火花放電が強制的に遮断されている。このとき、サイリスタゲート信号がハイレベルとなったあと、火花放電が遮断されるまでの時間は、０．１［mSec］以下である。
【００７１】
（ｃ）火花放電持続時間Ｔｔが１．０［ｍＳ］の場合
この場合、火花放電が開始された後、サイリスタゲート信号（波形２）がローからハイレベルに反転すると、一次電流ｉ１（波形３）が増加を開始し、およそ２．５［Ａ］に達したところで、二次電圧Ｖｐ（波形４）が変動して０［Ｖ］となり、火花放電が強制的に遮断されている。このとき、サイリスタゲート信号がハイレベルとなったあと、火花放電が遮断されるまでの時間は、およそ０．１［mSec］である。
【００７２】
（ｄ）火花放電持続時間Ｔｔが０．５［ｍＳ］の場合
この場合、火花放電が開始された後、サイリスタゲート信号（波形２）がローからハイレベルに反転すると、一次電流ｉ１（波形３）が増加を開始し、およそ３．９［Ａ］に達したところで、二次電圧Ｖｐ（波形４）が変動して０［Ｖ］となり、火花放電が強制的に遮断されている。このとき、サイリスタゲート信号がハイレベルとなったあと、火花放電が遮断されるまでの時間は、およそ０．２［mSec］である。
【００７３】
これらの測定結果から、本発明の内燃機関用点火装置を用いることで、火花放電持続時間Ｔｔを変化させることが可能であることが判る。ところが、火花放電持続時間Ｔｔが短くなるほど、サイリスタゲート信号がハイレベルとなってから火花放電が遮断されるまでの時間が長くなっており、火花放電持続時間Ｔｔを短く設定するには限界があることも判った。しかしながら、内燃機関の運転に際して、実用上必要となる最短の火花放電持続時間Ｔｔは、０．２［mSec］であり、実際の測定において、火花放電持続時間Ｔｔを０．２［mSec］に設定可能であることが、本件の発明者によって確認されており、本発明の内燃機関用点火装置を実際に用いることは可能である。
【００７４】
そして、図５に、火花放電持続時間Ｔｔを０．５［mSec］とした場合の、複数回の火花放電波形を示す。なお、横軸レンジは５［mSec］であり、また、各波形番号の矢印位置は、縦軸における各波形の基準となる０レベルを表している。また、波形１がＩＧ信号であり、波形２がサイリスタゲート信号であり、波形３が一次電流ｉ１であり、波形４が二次電圧（点火プラグの中心電極の電位）Ｖｐであり、各波形のレンジは、図４と同様である。
【００７５】
図５に示す火花放電は、２［mSec］周期（３０００ｒｐｍに相当）で行われており、各火花放電は火花放電持続時間Ｔｔが０．５［mSec］に設定されて強制的に遮断されている。
図５に示すように、一次電流ｉ１（波形３）が増加して５［Ａ］であるときに、ＩＧ信号（波形１）がハイレベルになり一次電流ｉ１を遮断することで火花放電が発生し、その後、火花放電持続時間Ｔｔが０．５［mSec］となるようにサイリスタゲート信号（波形２）がハイレベルになる。そして、一次電流ｉ１（波形３）が増加して火花遮断電流値ｉｔに達すると、火花放電が遮断される。さらに、時間経過に伴い一次電流ｉ１が減少していき、一次電流ｉ１が概略零となった時点で、サイリスタゲート信号がローレベルになる。これと同時にＩＧ信号（波形１）がハイレベルになり、一次電流ｉ１が再度通電されて増加していき、次の火花放電のための火花エネルギが蓄積される。そして、点火時期になるとＩＧ信号がローレベルになり再び火花放電が発生する。この繰り返しによって、強制的に遮断される火花放電を周期的に発生させることで、混合気への着火を行う。
【００７６】
この測定結果から、本発明を適用した内燃機関用点火装置を用いることで、周期的に行われる火花放電において火花遮断を行うことが出来ることが判る。
したがって、上記の測定結果から、本発明を適用した内燃機関用点火装置によれば、実用上必要となる範囲で火花放電持続時間Ｔｔを変化させることができるとともに、周期的に行われる火花放電においても火花遮断を行うことが出来るようになる。これにより、内燃機関の運転状態に基づいて火花放電持続時間Ｔｔを設定し、混合気への着火を行うことで、点火プラグへの過剰な火花エネルギの供給を防ぎ、点火プラグの電極の消耗が無駄に進んでしまうことを防ぐことが可能になる。
【００７７】
そして、このような内燃機関用点火装置を、点火コイルの最大二次電圧が高く設定されるメタンガス等の気体燃料を使用するガスエンジンに用いれば、点火プラグの電極の無駄な消耗を有効に抑制することが可能になり、点火プラグの寿命を延ばすことが出来る。
【００７８】
以上、本発明の実施例および測定結果について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、サイリスタに代わり、トランジスタを用いて一次巻線の両端を短絡するように内燃機関用点火装置を構成しても、火花放電を強制的に遮断して混合気への着火を行うことができ、点火プラグの電極の消耗を抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例の内燃機関用点火装置の構成を表す電気回路図である。
【図２】  実施例の内燃機関用点火装置の各部の状態を表すタイムチャートである。
【図３】  電子制御装置（ＥＣＵ）が実行する点火制御処理を表すフローチャートである。
【図４】  火花放電持続時間を変化させた場合の一次電流と二次電圧を測定した結果を表すグラフである。
【図５】  複数回の火花放電を実行した場合の一次電流と二次電圧を測定した結果を表すグラフである。
【符号の説明】
１…内燃機関用点火装置、１１…電源装置、１３…点火プラグ、１３ａ…中心電極、１３ｂ…外側電極、１５…点火コイル、１７…トランジスタ、１９…ＥＣＵ、２１…サイリスタ、Ｄ…整流素子、Ｌ１…一次巻線、Ｌ２…二次巻線。
【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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