JP6427427B2

JP6427427B2 - 点火装置

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Publication number: JP6427427B2
Application number: JP2015012739A
Authority: JP
Inventors: 高伸青地; 柴田　正道; 正道柴田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: JP2016138476A

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室の混合気に点火する燃焼サイクルを繰り返す点火装置に関する。

車両等の内燃機関には、燃焼室の混合気に点火する燃焼サイクルを繰り返す点火装置が備えられている。点火装置は、点火プラグの中心電極と接地電極との間に火花放電を生じさせることにより、燃焼室の混合気に点火する。すなわち、中心電極と接地電極との間の放電ギャップに火花放電が繰り返し生じることとなる。繰り返しの放電によって電極が徐々に消耗して、その消耗速度が点火プラグの寿命に影響するため、電極の消耗を抑制する技術が種々提案されている。

特許文献１には、中心電極を正極とするプラス放電と、中心電極を負極とするマイナス放電とを切り替えることにより、電極の消耗を抑制するよう構成した点火装置が提案されている。すなわち、特許文献１の発明は、プラス放電は比較的放電電圧を低くすることができる一方、電極を消耗させやすいという性質に着目している。そして、各燃焼サイクルにおいて、プラス放電によって中心電極と接地電極との間に放電を開始した後、マイナス放電に切り替えて放電を維持することで、電極の消耗を抑制しようとしている。

特開２０１３−６４３５８号公報

しかしながら、上記特許文献１の発明においては、放電の途中からマイナス放電に切り替えるものの、各燃焼サイクルにおいて最初の段階でプラス放電を生じさせる。つまり、毎回の燃焼サイクルにおいてプラス放電を生じさせるため、電極の消耗を充分に抑制することは困難である。

また、高過給領域等、燃焼室の圧力が高い状態においてマイナス放電を生じさせる場合には、放電ギャップにおける放電が生じにくくなり、絶縁碍子の表面に沿った沿面放電が生じやすくなる。その結果、失火する燃焼サイクルが続くことが懸念され、内燃機関の正常な運転を妨げる要因となり得る。

また、特許文献１の点火装置においては、一つの燃焼サイクルにおいて、プラス放電からマイナス放電へと切り替えるため、マイナス放電に切り替える際に大きな放電電流が必要となる。それゆえ、点火コイルや電源等の設計に制約が生じ、設計自由度が低くなるという問題もある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、内燃機関の正常な運転を確保しつつ、点火プラグの耐久性を向上することができる、設計自由度の高い点火装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、内燃機関の燃焼室の混合気に点火する燃焼サイクルを繰り返す点火装置であって、
互いの間に放電ギャップを設けて対向配置された中心電極及び接地電極と、上記中心電極を内側に保持する絶縁碍子とを備えた点火プラグと、
上記中心電極と上記接地電極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
上記点火プラグに生じた放電が上記絶縁碍子の表面に沿う沿面放電であるか否かを検出する検出手段と、を有し、
上記電圧印加手段は、上記中心電極が正極となるプラス放電電圧と、上記中心電極が負極となるマイナス放電電圧と、を切り替えて上記中心電極と上記接地電極との間に電圧を印加することができるよう構成されており、
上記検出手段が上記沿面放電を検出していない間は、上記電圧印加手段は上記マイナス放電電圧を上記中心電極と上記接地電極との間に印加し、
上記検出手段が上記沿面放電を検出したとき、その後の所定の燃焼サイクルにおいて、上記電圧印加手段が上記プラス放電電圧を上記中心電極と上記接地電極との間に印加するよう構成してあることを特徴とする点火装置にある。

上記点火装置において、検出手段が沿面放電を検出していない間は、電圧印加手段はマイナス放電電圧を中心電極と接地電極との間に印加する。これにより、中心電極及び接地電極の消耗を抑制しながら、放電ギャップにおける火花放電を生じさせることができる。なお、マイナス放電電圧を印加することにより放電ギャップに生じる火花放電を適宜「マイナス放電」、プラス放電電圧を印加することにより放電ギャップに生じる火花放電を適宜「プラス放電」という。

そして、検出手段が沿面放電を検出したとき、その後の所定の燃焼サイクルにおいて、電圧印加手段がプラス放電電圧を中心電極と接地電極との間に印加する。これにより、繰り返される燃焼サイクルにおいて、異常な火花放電が繰り返されることを防ぐことができる。すなわち、沿面放電が検出されたとき、その後の所定の燃焼サイクルにおいては、沿面放電を招きにくいプラス放電電圧を、中心電極と接地電極との間に印加する。これにより、放電ギャップにおける正常な火花放電を直ぐに取り戻し、内燃機関の正常な運転を確保することができる。

また、マイナス放電電圧とプラス放電電圧との間の切り替えは、各燃焼サイクルにおける放電の途中ではなく、燃焼サイクルの間に行うため、切り替えのために特に大きな電流を供給する必要がない。それゆえ、点火装置の設計自由度を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、内燃機関の正常な運転を確保しつつ、点火プラグの耐久性を向上することができる、設計自由度の高い点火装置を提供することができる。

実施形態１における、点火装置の回路図。実施形態１における、点火プラグの先端部の側面図。実施形態１における、正常な放電の電圧波形を示す線図。実施形態１における、沿面放電の際の電圧波形を示す線図。実施形態１における、点火装置の動作フロー図。実施形態２における、点火装置の回路図。

（実施形態１）
点火装置の実施形態につき、図１〜図５を用いて説明する。
点火装置１は、内燃機関の燃焼室の混合気に点火する燃焼サイクルを繰り返すものである。
そして、点火装置１は、図１に示すごとく、点火プラグ２と、電圧印加手段３と、検出手段４と、を有する。

点火プラグ２は、図２に示すごとく、互いの間に放電ギャップを設けて対向配置された中心電極２１及び接地電極２２と、中心電極２１を内側に保持する絶縁碍子２３とを備えている。
図１に示すごとく、電圧印加手段３は、中心電極２１と接地電極２２との間に電圧を印加するよう構成されている。
検出手段４は、点火プラグ２に生じた放電が絶縁碍子２３の表面に沿う沿面放電であるか否かを検出する。

電圧印加手段３は、中心電極２１が正極となるプラス放電電圧と、中心電極２１が負極となるマイナス放電電圧と、を切り替えて中心電極２１と接地電極２２との間に電圧を印加することができるよう構成されている。
検出手段４が沿面放電を検出していない間は、電圧印加手段３はマイナス放電電圧を中心電極２１と接地電極２２との間に印加する。
検出手段４が沿面放電を検出したとき、その後の所定の燃焼サイクルにおいて、電圧印加手段３はプラス放電電圧を中心電極２１と接地電極２２との間に印加する。

点火装置１は、車両用エンジン等の内燃機関において、混合気への着火手段として用いられる。
点火プラグ２は、内燃機関の燃焼室に先端部が突出するように配設される。図２に示すごとく、点火プラグ２は、内燃機関に螺合するハウジング２４の内側に絶縁碍子２３が保持され、絶縁碍子２３の内側に中心電極２１が保持されている。接地電極２２は、一端がハウジング２４の先端に接合されると共に、他端が中心電極２１と軸方向に対向する位置に配された接地母材２２０と、該接地母材２２０における中心電極２１側の面に接合された接地突起部２２１とを有する。接地母材２２０は、例えばニッケル合金からなり、接地突起部２２１は、例えば白金合金等の貴金属からなる。

中心電極２１は、絶縁碍子２３に保持された中心母材２１０と、中心母材２１０の先端に接合された中心突起部２１１とを有する。中心母材２１０は、例えばニッケル合金からなり、中心突起部２１１は、例えばイリジウム合金、白金合金等からなる。

上述のごとく、点火装置１は、点火プラグ２に電圧を印加する電圧印加手段３と、点火プラグ２に生じた放電が沿面放電か否かを検出する検出手段４とを有する。
図１に示すごとく、電圧印加手段３は、点火コイル５、第一イグナイタ６１及び第二イグナイタ６２、エンジン制御装置１２によって構成されている。点火コイル５は、二つの一次コイル５１１、５１２と、一つの二次コイル５２とを有する。

各一次コイル５１１、５１２は、バッテリ１１と接続されており、該バッテリ１１からの電流を通電可能である。一次コイル５１１、５１２は、二次コイル５２と磁気的に結合されており、該二次コイル５２との間において相互誘導可能である。また、２つの一次コイル５１１、５１２は、互いの巻回方向が逆方向となるように配置されている。ゆえに、一次コイル５１１、５１２のうち一方への導通により形成される磁界の方向は、他方への導通により形成される磁界の方向と逆向きとなる。

二次コイル５２は、点火プラグ２と接続されており、当該二次コイル５２に誘導される電圧によって、中心電極２１と接地電極２２との間に放電電圧を印加する。

以上の構成において、一方の一次コイル５１１は、プラス放電用の一次コイルである。プラス放電用の一次コイル５１１は、燃焼サイクル毎にバッテリ１１からの通電が遮断されることにより、点火プラグ２の中心電極２１と接地電極２２との間に二次コイル５２からプラス放電電圧が印加されるように、二次コイル５２に電圧を誘導する。他方の一次コイル５１２は、マイナス放電用の一次コイルである。マイナス放電用の一次コイル５１２は、バッテリ１１からの通電が遮断されることにより、点火プラグ２の中心電極２１及び接地電極２２間に二次コイル５２からマイナス放電電圧が印加されるように、二次コイル５２に電圧を誘導する。これらの通電とその遮断は、第一イグナイタ６１及び第二イグナイタ６２のスイッチングにより行われる。

第一イグナイタ６１及び第二イグナイタ６２は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）等のスイッチング素子によって構成される。各イグナイタ６１、６２のＩＧＢＴのゲートは、エンジン制御装置１２と接続されている。イグナイタ６１、６２は、エンジン制御装置１２からゲートに入力される点火制御信号に基づいて、コレクタ及びエミッタ間における電流の導通及び遮断を切り換える。第一イグナイタ６１は、プラス放電用の一次コイル５１１と接続されており、点火制御信号に基づいて、バッテリ１１から当該一次コイル５１１への通電のオン状態及びオフ状態を切り換える。また、第二イグナイタ６２は、マイナス放電用の一次コイル５１２と接続されており、点火制御信号に基づいて、バッテリ１１から当該一次コイル５１２への通電のオン状態及びオフ状態を切り換える。

エンジン制御装置１２は、例えばマイクロコンピュータを主体に構成され、記憶領域としてのフラッシュメモリ、演算処理の作業領域としてのＲＡＭを有する制御装置である。エンジン制御装置１２は、内燃機関及び当該内燃機関を搭載する車両に設けられた種々のセンサと接続されており、これらのセンサから、例えば出力軸の回転速度、冷却水の温度、燃焼室に吸入される吸入空気量等の検出結果を取得する。エンジン制御装置１２は、取得した検出結果、予め構築された制御用のプログラム、及び予め規定された制御用のマップ等に基づいて、内燃機関の稼動を制御する。このようなエンジン制御装置１２による演算及び制御の一部が、検出手段４による沿面放電の検出、及び、電圧印加手段３による点火プラグ２への電圧印加の制御である。エンジン制御装置１２は、点火コイル５の一次コイル５１１、５１２への通電を制御する点火制御信号を、各イグナイタ６１、６２に出力する。

また、検出手段４は、点火プラグ２に印加される電圧を測定する電圧計４１を有する。電圧計４１によって測定された電圧信号は、エンジン制御装置１２に送られる。これにより、エンジン制御装置１２において、電圧信号を基に、点火プラグ２に生じた放電が沿面放電か否かを検出する。ゆえに、本例において、検出手段４は、電圧計４１とエンジン制御装置１２とによって構成される。

検出手段４は、各燃焼サイクルにおいて、点火プラグ２に点火信号が送られた時点から所定の時間内に、所定の電圧値以上の電圧が、中心電極２１と接地電極２２との間に複数回生じたとき、当該放電が沿面放電であると判定するよう構成されている。具体的には、例えば、点火信号が送られた時点から１００μ秒間の間に、２回以上、２５ｋＶ以上の放電電圧が電圧計４１によって計測された場合に、沿面放電が生じたと判定する。
例えば、図３に示す電圧波形が、正常な放電時に計測される波形であり、図４に示す電圧波形が、沿面放電が生じた場合に計測される波形である。
なお、点火プラグ２に点火信号が送られた時点とは、本実施形態においては、エンジン制御装置１２から第二イグナイタ６２に点火信号が送られた時点と同一である。

上記のような電圧印加手段３と検出手段４とを備えた点火装置１は、図５に示すフローに沿って動作する。
すなわち、まず、電圧印加手段３は、各燃焼サイクルごとに、マイナス放電電圧を点火プラグ２に印加する。これにより、点火プラグ２の放電ギャップに火花放電（マイナス放電）を生じさせて、混合気に着火して、内燃機関の運転を行う。そして、各燃焼サイクルにおける放電電圧を逐一計測する（ステップＳ１）。

そして、各燃焼サイクルごとに計測された放電電圧を基に、当該放電が沿面放電であるか否かを、検出手段４によって検出する（ステップＳ２）。当該放電が沿面放電でないと判断された場合には、次の燃焼サイクルにおいても、マイナス放電電圧を点火コイル２に印加する（ステップＳ１）。一方、当該放電が沿面放電であると判断された場合には、次の燃焼サイクルにおいて、プラス放電電圧を点火コイル２に印加して、プラス放電を生じさせる（ステップＳ３）。

そして、プラス放電を、所定回数（ｎ回）の燃焼サイクル分、繰り返す（ステップＳ４）。そして、所定回数（ｎ回）、プラス放電の燃焼サイクルを繰り返したのち、再びマイナス放電にて燃焼サイクルを行う（ステップＳ１）。
このようにして、点火装置１は、通常は、検出手段４にて沿面放電の有無をモニタリングしながらマイナス放電にて燃焼サイクルを繰り返し、沿面放電が検出されたとき、その後の所定の燃焼サイクルをプラス放電にて行う。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記点火装置１において、検出手段４が沿面放電を検出していない間は、電圧印加手段３はマイナス放電電圧を中心電極２１と接地電極２２との間に印加する。これにより、中心電極２１及び接地電極２２の消耗を抑制しながら、放電ギャップにおける火花放電を生じさせることができる。

そして、検出手段４が沿面放電を検出したとき、その後の所定の燃焼サイクルにおいて、電圧印加手段３がプラス放電電圧を中心電極２１と接地電極２２との間に印加する。これにより、繰り返される燃焼サイクルにおいて、異常な火花放電が繰り返されることを防ぐことができる。すなわち、沿面放電が検出されたとき、その後の所定の燃焼サイクルにおいては、沿面放電を招きにくいプラス放電電圧を、中心電極２１と接地電極２２との間に印加する。これにより、放電ギャップにおける正常な火花放電を直ぐに取り戻し、内燃機関の正常な運転を確保することができる。

また、マイナス放電電圧とプラス放電電圧との間の切り替えは、各燃焼サイクルにおける放電の途中ではなく燃焼サイクルの間に行うため、切り替えのために特に大きな電流を供給する必要がない。それゆえ、点火装置１の設計自由度を向上させることができる。

また、検出手段４は、各燃焼サイクルにおいて、点火プラグ２に点火信号が送られた時点から所定の時間内に、所定の電圧値以上の電圧が、中心電極２１と接地電極２２との間に複数回生じたとき、当該放電が沿面放電であると判定するよう構成されている。これにより、沿面放電か否かを、容易かつ正確に検出することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、内燃機関の正常な運転を確保しつつ、点火プラグの耐久性を向上することができる、設計自由度の高い点火装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図６に示すごとく、実施形態１に対して、電圧印加手段３の回路構成を変更したものである。
すなわち、本実施形態においては、電圧印加手段３を構成する点火コイル５として、一つの一次コイル５１と一つの二次コイル５２とからなるものを用いる。そして、二次コイル５２の高電位側端子５２１と低電位側端子５２２とが、それぞれスイッチ３１、３２を介して、点火プラグ２に接続されるよう構成されている。スイッチ３１は、高電位側端子５２１の接続先を、点火プラグ２と接地（グランド）との間で切り替えることができるよう構成されている。また、スイッチ３２は、低電位側端子５２２の接続先を、点火プラグ２と接地（グランド）との間で切り替えることができるよう構成されている。なお、高電位側端子５２１は、一次コイル５１への通電の遮断に伴い二次コイル５２に電圧が誘起された際に高電位側となる端子であり、低電位側端子５２２はその反対側の端子である。

したがって、マイナス放電電圧を点火プラグ２に印加する際には、高電位側端子５２１をグランドに接続すると共に、低電位側端子５２２を点火プラグ２に接続する（図６の状態）。この状態において、イグナイタ６を通電から遮断に切り替えることにより、二次コイル５２にマイナス放電電圧を誘起し、点火プラグ２に印加する。

一方、プラス放電電圧を点火プラグ２に印加する際には、低電位側端子５２２をグランドに接続すると共に、高電位側端子５２１を点火プラグ２に接続する。この状態において、イグナイタ６を通電から遮断に切り替えることにより、二次コイル５２にプラス放電電圧を誘起し、点火プラグ２に印加する。

このようにして、マイナス放電電圧とプラス放電電圧とを適宜選択して、点火プラグ２に印加することができる。マイナス放電とプラス放電との使い分けは、実施形態１と同様に、検出手段４の検出結果に基づいて行われる。
その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態１と同じ符号は、同様の構成要素等を示すものであって、先行する説明を参照する。

本実施形態においては、トランス５の構成を簡素化することができると共に、イグナイタの数を減らすことができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

以上、それぞれ本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、検出手段が沿面放電を検出した際、必ずしも、当該燃焼サイクルの次の燃焼サイクルからプラス放電電圧に切り替えなくてもよく、例えば、当該燃焼サイクルの次の次の燃焼サイクルから切り替えてもよい。また、電圧印加手段の回路構成についても、上記実施形態に示したものとは異なる回路構成とすることもできる。

１点火装置
２点火プラグ
２１中心電極
２２接地電極
２３絶縁碍子
３電圧印加手段
４検出手段

Claims

内燃機関の燃焼室の混合気に点火する燃焼サイクルを繰り返す点火装置（１）であって、
互いの間に放電ギャップを設けて対向配置された中心電極（２１）及び接地電極（２２）と、上記中心電極（２１）を内側に保持する絶縁碍子（２３）とを備えた点火プラグ（２）と、
上記中心電極（２１）と上記接地電極（２２）との間に電圧を印加する電圧印加手段（３）と、
上記点火プラグ（２）に生じた放電が上記絶縁碍子（２３）の表面に沿う沿面放電であるか否かを検出する検出手段（４）と、を有し、
上記電圧印加手段（３）は、上記中心電極（２１）が正極となるプラス放電電圧と、上記中心電極（２１）が負極となるマイナス放電電圧と、を切り替えて上記中心電極（２１）と上記接地電極（２２）との間に電圧を印加することができるよう構成されており、
上記検出手段（４）が上記沿面放電を検出していない間は、上記電圧印加手段（３）は上記マイナス放電電圧を上記中心電極（２１）と上記接地電極（２２）との間に印加し、
上記検出手段（４）が上記沿面放電を検出したとき、その後の所定の燃焼サイクルにおいて、上記電圧印加手段（３）が上記プラス放電電圧を上記中心電極（２１）と上記接地電極（２２）との間に印加するよう構成してあることを特徴とする点火装置（１）。
上記検出手段（４）は、各燃焼サイクルにおいて、上記点火プラグ（２）に点火信号が送られた時点から所定の時間内に、所定の電圧値以上の電圧が、上記中心電極（２１）と上記接地電極（２２）との間に複数回生じたとき、当該放電が沿面放電であると判定するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の点火装置（１）。