特許 6017046 内燃機関用点火装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6017046

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年10月26日

(54)【発明の名称】内燃機関用点火装置

(51)【国際特許分類】

   F02P 3/00 20060101AFI20161013BHJP

   F02P 15/10 20060101ALI20161013BHJP

【ＦＩ】

   F02P3/00 F

   F02P3/00 G

   F02P3/00 H

   F02P15/10 301B

【請求項の数】18

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-531553(P2015-531553)

(86)(22)【出願日】2013年9月12日

(65)【公表番号】特表2015-529774(P2015-529774A)

(43)【公表日】2015年10月8日

(86)【国際出願番号】EP2013068872

(87)【国際公開番号】WO2014041050

(87)【国際公開日】20140320

【審査請求日】2015年3月12日

(31)【優先権主張番号】102013218213.9

(32)【優先日】2013年9月11日

(33)【優先権主張国】DE

(31)【優先権主張番号】102012216182.1

(32)【優先日】2012年9月12日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390023711

【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100099483

【弁理士】

【氏名又は名称】久野 琢也

(72)【発明者】

【氏名】ティム スコヴロネク

(72)【発明者】

【氏名】トーマス パヴラク

【審査官】 木村 麻乃

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−１７４０６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１４２２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−２０４９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 登録実用新案第３１０６４３４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０８−３３８２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１４４６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２１８７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０６５２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２４０５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４３４９００８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２３９１１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２２７４４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２４６４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／００００８７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１０６１００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 英国特許出願公告第００７１７６７６（ＧＢ，Ａ）

【文献】 国際公開第９３／００４２７９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｐ ３／００− ３／１２

Ｆ０２Ｐ １５／００−１５／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

点火装置（１）であって、
それぞれ１次側（３）及び２次側（４）を有する少なくとも１つの高電圧発生器（２）と、
前記高電圧発生器（２）の前記１次側（３）に接続可能な電気エネルギ源（５）と、
前記高電圧発生器（２）を介して当該高電圧発生器（２）の前記２次側（４）へ伝送される電流が供給されるように構成されたスパークギャップ（６）と
を含み、
前記高電圧発生器（２）は、当該高電圧発生器（２）の前記２次側（４）へ電気エネルギを伝送するバイパス（７）を含む、
点火装置において、
前記バイパス（７）は、前記高電圧発生器（２）の前記２次側（４）に備えられた２次コイル（９）において予め定められた時点から又は前記電流の予め定められた電流強度からの電気信号の減衰を遅延させるように構成されており、
前記バイパス（７）は、エネルギ蓄積器としての少なくとも１つのキャパシタ（１０）を含んでおり、
前記キャパシタ（１０）の第１の端子が前記高電圧発生器（２）の前記２次側（４）の端子に接続されており、かつ、前記キャパシタ（１０）の第２の端子が電気的アース（１４）に接続されており、
前記電気エネルギ源（５）と前記キャパシタ（１０）との間に、インダクタンス（１５）が設けられており、
前記インダクタンス（１５）と前記キャパシタ（１０）との間に、第１の非線形２極素子（１６）が設けられており、前記第１の非線形２極素子（１６）は前記キャパシタ（１０）へ向かう順方向を有しており、
前記インダクタンス（１５）は、１次側（１５＿１）及び２次側（１５＿２）を有するトランスとして構成されており、
前記インダクタンス（１５）の前記１次側（１５＿１）の第１の端子は前記電気エネルギ源（５）に接続されており、前記インダクタンス（１５）の前記１次側（１５＿１）の第２の端子はスイッチ（２７）を介して電気的アース（１４）に接続されており、
前記インダクタンス（１５）の前記２次側（１５＿２）の第１の端子は前記電気エネルギ源（５）に接続されており、前記インダクタンス（１５）の前記２次側（１５＿２）の第２の端子は前記第１の非線形２極素子（１６）に接続されており、
前記キャパシタ（１０）を介して前記インダクタンス（１５）の前記２次側（１５＿２）の電流及び電圧のうちの少なくとも１つを測定し、当該測定値を、前記スイッチ（２７）を制御する駆動部（２４）へ供給するように構成された、電流測定手段（１９）及び／又は電圧測定手段及び／又は電力測定手段が設けられており、
前記バイパス（７）を介して前記スパークギャップ（６）へ導入される電気エネルギ量は、前記スイッチ（２７）へ供給される前記駆動部（２４）の制御信号（Ｓ_ＨＳＳ）によって、当該制御信号（Ｓ_ＨＳＳ）の周波数及び／又はパルスオンオフ比に関して、制御される、
ことを特徴とする点火装置。

【請求項2】

前記高電圧発生器（２）は、昇圧トランスとして構成されており、かつ、当該高電圧発生器（２）の前記１次側（３）に１次コイル（８）を有しており、
前記バイパス（７）は、前記２次コイル（９）にかかる電圧に加えられる所定の電圧、又は、前記２次コイル（９）に対して並列に供給される所定の電圧を形成するように構成されている、
請求項１記載の点火装置。

【請求項3】

前記電気エネルギ源（５）に対して並列に入力側キャパシタ（１７）が設けられている、
請求項２記載の点火装置。

【請求項4】

前記第１の非線形２極素子（１６）は、第１のダイオードである、
請求項１から３までのいずれか１項記載の点火装置。

【請求項5】

前記インダクタンス（１５）及び前記第１の非線形２極素子（１６）の共通の端子（３５）と電気的アース（１４）との間に、切り替え可能な接続部（２７）が設けられている、
請求項１から４までのいずれか１項記載の点火装置。

【請求項6】

前記切り替え可能な接続部は、前記インダクタンス（１５）に流れる電流及び前記インダクタンス（１５）に印加される電圧を切り替え可能である、
請求項５記載の点火装置。

【請求項7】

前記切り替え可能な接続部は、スイッチ（２２，２７）を含む、
請求項５又は６記載の点火装置。

【請求項8】

前記スイッチ（２２，２７）は、トランジスタである、
請求項７記載の点火装置。

【請求項9】

前記電流測定手段（１９）及び／又は前記電圧測定手段及び／又は前記電力測定手段として、点火電流又は前記キャパシタ（１０）を介した電圧を測定するシャント抵抗が設けられており、該シャント抵抗は、少なくとも１つの前記スイッチ（２２，２７）を駆動する信号を供給するように構成されており、及び／又は、
第２の非線形２極素子（２１）が前記キャパシタ（１０）の過電圧保護のために、前記キャパシタ（１０）に対して並列に接続されている、
請求項７又は８記載の点火装置。

【請求項10】

前記第２の非線形２極素子（２１）は、第２のダイオードである、
請求項９記載の点火装置。

【請求項11】

前記バイパス（７）は昇圧型コンバータを含み、及び／又は、
前記高電圧発生器（２）は、２次側（４）で、第３の非線形２極素子（３３）によって橋絡されている、
請求項９又は１０記載の点火装置。

【請求項12】

前記第３の非線形２極素子（３３）は、第３のダイオードである、
請求項１１記載の点火装置。

【請求項13】

ツェナーダイオード（２１）が、前記キャパシタ（１０）に並列に接続されている、
請求項１から１２までのいずれか１項記載の点火装置。

【請求項14】

内燃機関に対する点火スパークの形成方法であって、
それぞれ１次側（３）及び２次側（４）を有する少なくとも１つの高電圧発生器（２）と、前記高電圧発生器（２）の前記１次側（３）に接続可能な電気エネルギ源（５）と、前記高電圧発生器（２）を介して当該高電圧発生器（２）の前記２次側（４）へ伝送される電流が供給されるように構成されたスパークギャップ（６）とを備え、前記高電圧発生器（２）は、当該高電圧発生器（２）の前記２次側（４）へ電気エネルギを伝送するバイパス（７）を含む、点火装置の前記電気エネルギ源（５）から取り出され、前記高電圧発生器（２）を介してスパークギャップ（６）へ供給される電気エネルギを用いて、点火スパークを形成するステップを含む、
方法において、
前記バイパス（７）は、前記高電圧発生器（２）の前記２次側（４）に備えられた２次コイル（９）において予め定められた時点から又は前記電流の予め定められた電流強度からの電気信号の減衰を遅延させるように構成されており、
前記バイパス（７）は、エネルギ蓄積器としての少なくとも１つのキャパシタ（１０）を含んでおり、
前記キャパシタ（１０）の第１の端子が前記高電圧発生器（２）の前記２次側（４）の端子に接続されており、かつ、前記キャパシタ（１０）の第２の端子が電気的アース（１４）に接続されており、
前記電気エネルギ源（５）と前記キャパシタ（１０）との間に、インダクタンス（１５）が設けられており、
前記インダクタンス（１５）と前記キャパシタ（１０）との間に、第１の非線形２極素子（１６）が設けられており、前記第１の非線形２極素子（１６）は前記キャパシタ（１０）へ向かう順方向を有しており、
前記インダクタンス（１５）は、１次側（１５＿１）及び２次側（１５＿２）を有するトランスとして構成されており、
前記インダクタンス（１５）の前記１次側（１５＿１）の第１の端子は前記電気エネルギ源（５）に接続されており、前記インダクタンス（１５）の前記１次側（１５＿１）の第２の端子はスイッチ（２７）を介して電気的アース（１４）に接続されており、
前記インダクタンス（１５）の前記２次側（１５＿２）の第１の端子は前記電気エネルギ源（５）に接続されており、前記インダクタンス（１５）の前記２次側（１５＿２）の第２の端子は前記第１の非線形２極素子（１６）に接続されており、
前記キャパシタ（１０）を介して前記インダクタンス（１５）の前記２次側（１５＿２）の電流及び電圧のうちの少なくとも１つを測定し、当該測定値を、前記スイッチ（２７）を制御する駆動部（２４）へ供給するように構成された、電流測定手段（１９）及び／又は電圧測定手段及び／又は電力測定手段が設けられており、
前記方法は、
前記電気エネルギ源（５）から前記バイパス（７）を介して前記２次側（４）へ伝送される電気エネルギにより、前記点火スパークを維持するステップを含み、
前記点火スパークを維持するための前記電気エネルギは、制御されたパルスシーケンスとして前記電気エネルギ源（５）から供給され、
前記バイパス（７）を介して前記スパークギャップ（６）へ導入される電気エネルギ量は、前記スイッチ（２７）へ供給される前記駆動部（２４）の制御信号（Ｓ_ＨＳＳ）によって、当該制御信号（Ｓ_ＨＳＳ）の周波数及び／又はパルスオンオフ比に関して、制御される、
ことを特徴とする方法。

【請求項15】

前記パルスシーケンスは、キロヘルツ領域にある、
請求項１４記載の方法。

【請求項16】

前記パルスシーケンスは、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの領域にある、
請求項１４又は１５記載の方法。

【請求項17】

前記点火スパークを維持するための前記電気エネルギは、前記高電圧発生器（２）の前記２次側（４）に対して直列又は並列の電圧として供給される、
請求項１４から１６までのいずれか１項記載の方法。

【請求項18】

前記高電圧発生器（２）は、昇圧トランスである、
請求項１４から１７までのいずれか１項記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関用点火装置に関する。本発明は特に、燃焼させにくい、ターボチャージされた希薄混合気（λ＞＞１、リーン成層コンセプト、高ＡＧＲレート）を用いた、大きな要求が課される内燃機関用の点火装置に関する。

【0002】

従来技術
ＧＢ７１７６７６には、点火装置用の昇圧トランスが示されている。ここでは、昇圧トランスによって形成されるスパークに電気エネルギを供給するために、昇圧型コンバータのタイプに応じて、振動スイッチを介して制御される回路部が使用されている。

【0003】

ＷＯ２００９／１０６１００Ａ１には、高電圧キャパシタ点火装置に対応するように構成された回路装置が示されている。ここでは、キャパシタに蓄積されたエネルギが、一方ではトランスの１次側へ供給され、他方ではダイオードを含むバイパスを介してスパークギャップへ供給される。

【0004】

ＵＳ２００４／０００８７８Ａ１には、複数のキャパシタを含む２次側の蓄積器を充電し、トランスによって形成されるスパークに電気エネルギを供給する形式の点火装置が示されている。

【0005】

ＷＯ９３０４２７９Ａ１には、２つのエネルギ源を含む点火装置が示されている。第１のエネルギ源は、トランスを介して電気エネルギをスパークギャップへ伝送する。一方、第２のエネルギ源は、トランスの２次側端子と電気的アースとの間に配置されている。

【0006】

公知のように、内燃機関用点火装置は、高電圧発生器、例えば昇圧トランスを基礎としており、この高電圧発生器によって車両バッテリ又はジェネレータからのエネルギが高電圧へ変換され、この高電圧が内燃機関内の可燃性混合気への点火のためにスパークギャップへ供給される。このためには、昇圧トランスを通って流れる電流を急遮断し、昇圧トランスの磁界に蓄積されていたエネルギをスパークの形態で放電させる。可燃性混合気への確実な点火を保証するために、従来技術では、所定のスパークイベントの位置に点火可能な混合気が存在している確率を高めるべく、複数のスパークイベントを時間的に連続して有する点火装置が公知である。

【0007】

ただし、従来技術からは、フラッシュオーバ過程に利用される全電気エネルギを高電圧発生器に蓄積しておかなければならず、このため、高電圧発生器が嵩高となり、大きなコストと構造スペースとが必要となるという問題が知られている。

【0008】

高電圧発生器の放電特性のために、特にフラッシュオーバの開始時には、スパークギャップの電極を腐食させるほど高い電流が流れることがある。この場合、スパークの確実化にとって、そこまで高い電流は物理的には必要ない。つまり、フラッシュオーバに必要な持続時間においてのみ、上述した欠点の解決が保証されればよいのである。

【0009】

したがって、本発明の課題は、上述した従来技術の欠点を解消することである。

【0010】

発明の開示
こうした課題は、本発明の点火装置、及び、本発明の点火スパークを形成及び維持する方法によって解決される。

【0011】

従来技術から公知のように、点火装置は、それぞれ１次側及び２次側を有する高電圧発生器、例えば昇圧トランスと、高電圧発生器の１次側に接続された電気エネルギ源と、高電圧発生器の２次側に接続されたスパークギャップとを含む。高電圧発生器の基本的な動作方式は従来技術から公知であるので、ここで詳細には説明しない。また、従来技術から公知のごとく、スパークギャップは、高電圧発生器を介して２次側へ伝送される電流が供給されるように構成されている。この場合、スパークギャップは例えば点火プラグ内に配置可能である。

【0012】

形成されたアークを維持するには、初期的な形成に必要な電圧よりも小さい電圧がスパークギャップにかかればよいので、本発明では、電気エネルギ源からの電気エネルギを、高電圧発生器を迂回して２次側へ伝送するバイパスが設けられる。本発明のバイパスとは、種々の回路群であってよく、その詳細については後述する。従来技術から知られる欠点を解消するために、バイパスは、高電圧発生器がスパークギャップに形成したアークを、高電圧発生器に蓄積されている磁気エネルギによって可能となるよりも長い時間にわたって確実に維持するように構成されている。つまり、本発明によれば、バイパスは、高電圧発生器の２次コイルにおいて予め定められた時点から又は電流の予め定められた電流強度から減衰する電気信号を支えるように構成されている。

【0013】

言い換えれば、本発明の点火装置には、時間測定及び／又は電流強度検出を行い、これらが予め定められた基準値に到達したことに応じて、バイパスに対して２次側の電気信号の出力をトリガする論理回路が設けられる。このようにすれば、有利には、３０ｍＡから１００ｍＡの範囲で変化する極性（電圧供給の極性）を有するスパーク電流で、０．５ｍｓから５ｍｓのスパーク持続時間が得られる。これにより、高電圧発生器を介して伝送されるエネルギひいては初期スパーク電流を著しく低減できる。よって、スパークギャップの電極での腐食が低減され、高電圧発生器を従来技術の場合よりも小さく構成できる。

【0014】

従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。

【0015】

有利には、高電圧発生器は、昇圧トランスとして構成され、１次側に１次コイル、２次側に２次コイルを有する。２つのコイルはトランスコア（例えば鉄板）を介して磁気的に相互に結合可能である。ここで、バイパスは、昇圧トランスの２次コイルにかかる変換電圧に加えられる所定の電圧を、付加的に昇圧トランスへ伝送するように構成される。このように、バイパスは付加的な電気エネルギをスパークギャップへ入力することによって、スパーク電流を「支える」ことができる。

【0016】

これに代えて、高電圧発生器は、高電圧キャパシタ点火装置（ＨＫＺ装置）として構成されてもよい。こうした装置乃至他の高電圧発生装置及びその動作方式は従来技術から公知であるので、ここで詳細には立ち入らない。

【0017】

また有利には、バイパスは、１つもしくは複数のエネルギ蓄積器（複数の場合、有利には、発生する複数の高電圧を共通に取り扱うことのできる構成を有する）、特に１つもしくは複数のキャパシタ（複数の場合、直列及び／又は並列に接続される）を含む。エネルギ蓄積器の第１の端子は高電圧発生器の２次側端子に接続され、さらに、エネルギ蓄積器の第２の端子が電気的アースに接続される。この場合、特に、電気エネルギ源とキャパシタとの間にインダクタンスが切り替え可能に設けられる。このようにすれば、バイパスに２次側のエネルギ蓄積器が形成され、これにより、高電圧発生器の２次コイルにおいて予め設定された時点から又は電流の予め定められた電流強度から減衰する電気信号を支えることができる。なお、添付図に則して後に詳細に説明するが、キャパシタの充電のために、電気エネルギ源とキャパシタとの間にインダクタンスを切り替え可能に設けることができる。キャパシタ及びインダクタンスは、スイッチが閉成されている場合には、キャパシタの第１の端子での電気的ポテンシャルの一時的増大を可能にする振動回路を形成する。特に、電流が最初インダクタンスを通って導通され、切り換え過程により、インダクタンスに蓄えられたエネルギがキャパシタへ強制的に放電されるケースでは、必要なエネルギを高電圧発生器内にバッファリングする必要なく、適切に選定された切り換え時間においてきわめて高い電圧を形成することができる。

【0018】

さらに、有利には、インダクタンスとキャパシタとの間に、第１の非線形２極素子が、例えばキャパシタへ向かう順方向を有する第１のダイオードの形態で設けられる。こうした手段により、スイッチが閉成された際にエネルギがキャパシタからインダクタンスの方向へ「放出」してしまうことが防止される。なお、本発明において「ダイオード」に言及する場合、わかりやすくするために、非線形２極素子を表しているものと理解されたい。また、時には非線形２極素子としてのダイオードに電圧がかかることがあるが、この電圧が複数のモジュール、例えば複数のダイオードの直列接続によって確実かつ共通に克服されることは、当業者には明らかなはずである。

【0019】

ここで、各ダイオードはツェナーダイオードとして構成することができる。状況により装置内に設けられるスイッチは、有利には非線形分岐において予め定められた第１の電流方向が予測される場合、所定の信号に応答して閉成され、非線形分岐において予め定められた第２の（反対向きの）電流方向が予測される場合、開放される。以下で説明するように、高電圧を印加するために有利には複数のダイオードが使用される場合にも、上述したことが当てはまる。なお、特には、インダクタンス及びダイオードの共通の端子と電気的アースとの間に、切り替え可能な接続部を設けることができる。このようにすれば、スイッチが閉成された際にインダクタンスを通る電流が誘導され、スイッチが開放された際にダイオードを介して電流がキャパシタへ伝送される。ここで、パルスオンオフ比及び／又は駆動周波数を適切に選定することにより、きわめて良好な効率で高電圧を形成することができる。

【0020】

また有利には、例えば高電圧発生器の出力端子とキャパシタとの間に、シャント抵抗として構成される電流測定手段が設けられる。当該電流測定手段を例えばキャパシタと電気的アースとの間又はダイオード路内に配置して、２次側ループにおける臨界的な電流強度にバイパスが応動できるよう、バイパス内のスイッチに対して所定の信号を供給することができる。これに代えて又はこれに加えて、過電圧保護素子、例えばキャパシタに対して並列にダイオードを接続し、キャパシタの過電圧を防止してもよい。例えば、ツェナーダイオードを、過度に高い電圧の印加時にキャパシタを介して放電が行われるよう、阻止方向で使用することができる。

【0021】

これに代えて又はこれに加えて、点火電流及び／又は点火エネルギに関する情報を得るために、例えばキャパシタを介した電圧測定及び／又はエネルギ測定を行ってもよい。

【0022】

さらに有利には、インダクタンスを、１次側及び２次側を有する変換器乃至トランスとして構成できる。ここで、トランスの１次側の第１の端子は電気エネルギ源に接続され、１次側の第２の端子はスイッチを介して電気的アースに接続され、２次側の第１の端子は電気エネルギ源に接続され、２次側の第２の端子は上述したようにダイオードに接続される。このようにしたうえで変換比を適切に選定すれば、１次側に設けられるスイッチを２次側に流れる電流の切り換えのために利用できる。変換比に基づいて、スイッチの寸法設計のための有利な条件が得られ、ひいては、本発明の点火装置の確実な動作と点火装置の低コストの実現とが達成される。

【0023】

また、本発明は、さらなる特徴として、内燃機関に対する点火スパークの形成方法も対象としている。本発明の方法では、まず、電気エネルギ源から取り出され、１次側及び２次側を有する高電圧発生器を介してスパークギャップへ供給される電気エネルギを用いて、点火スパークが形成される。本発明によれば、電気エネルギ源からバイパスを介して２次側へ伝送される電気エネルギにより、点火スパークが維持される。点火スパークを維持するための電気エネルギは、例えばキロヘルツ領域、有利には１０ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの領域の、制御されたパルスシーケンスとして、電気エネルギ源から供給される。

【0024】

上述したようにオンオフ比がキロヘルツ領域にあれば、高電圧発生器に蓄積されているエネルギがアークの確実な維持に充分でない場合にも、点火スパークの維持に利用される数千ボルトまでの領域の電圧を良好な効率で形成できる。ここから、本発明の適用により、電気点火装置の効率に関する利点、及び、新たな動作正常性の診断手段に関する利点が提供される。本発明の特徴的方法では、基本的利用についても、後述する有利な実施形態の利用についても、本発明の点火装置に関連して説明した構成が当てはまる。

【0025】

有利には、点火スパークを維持するための電気エネルギは、高電圧発生器の２次側に対して直列又は並列の電圧として結合される。言い換えれば、高電圧発生器の２次コイルに接続されているバイパス内のカップリング部がループを形成しており、その電圧がスパークギャップに対して並列に生じる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】従来技術の点火電流と本発明の点火電流とを比較した時間特性図である。

【図2】本発明の点火装置の第１の実施例を示す回路図である。

【図3】図２の回路の電流時間特性と切り換えシーケンスとを示す図である。

【図4】本発明の点火装置の第２の実施例を示す回路図である。

【図5】本発明の点火装置の第３の実施例を示す回路図である。

【図6】図４，図５の回路の電流時間特性と切り換えシーケンスとを示す図である。

【0027】

本発明の実施例
図１には、点火電流ｉ_２、すなわち、スパークギャップにフラッシュオーバが発生したときに高電圧発生器としての昇圧トランスの２次コイル内を流れる電流の時間特性図が示されている。図１では、点火プラグの電極が腐食の増大によって損傷を起こしうるほど電流強度が高い領域１０３と、点火可能な混合気への点火のためのアークに必要な安定性が保証されないほど電流強度が低い領域１０４とが示されている。上述したように、従来技術の点火装置で形成される電流１００は、急峻に上昇して、電極にとって危険な領域１０３にまで達しており、その後、（放電指数関数に対して近似的に）ほぼ線形に低下する。対して、本発明によれば、スパークギャップに供給されるエネルギが２つのエネルギ成分に分割されており、その１つは昇圧トランスを通って流れる点火スパーク形成のための電流であり、もう１つはバイパスを通って流れる点火スパーク維持のための電流である。

【0028】

本発明では、バイパスが形成されない場合の電流は、従来技術に比べて寸法の小さい昇圧トランスがアークを形成した後、従来の２次側インダクタンスに比べて小さい２次側インダクタンスの放電に相応に急峻に低下し、発生直後に領域１０４へと「消滅」する（図１の１０１を参照）。対して、バイパスが形成される場合の電流の２次側の電流強度（厳密にはスパークギャップでの電流強度）は、格段に長い時間にわたって、臨界的な領域１０３，１０４の間に保持される（図１の１０２を参照）。当該バイパスが遮断されると、２次コイルに蓄積されていたエネルギが従来技術と同様に放電されるので、スパーク電流は急峻に低下する。このように、本発明では、全体電流が不安定領域１０４へ落ち込む時点が、公知の点火装置の電流強度特性１００を有する電流に比べて、著しく遅延される。

【0029】

図２には、図１の電流特性１０１，１０２を実現する回路が示されている。点火装置１は高電圧発生器としての昇圧トランス２を備えており、その１次側３には電気エネルギ源５から第１のスイッチ３０を介して電気エネルギが供給される。昇圧トランス２の２次側４には、１次コイル８及び２次コイル９の誘導結合部を介して電気エネルギが供給される。２次側４には従来技術から公知のダイオード２３がスイッチオンスパークを抑圧するために設けられており、このダイオード２３は選択的な実施例ではダイオード２１によって置換可能である。２次コイル９及びダイオード２３を含むループには、電気的アース１４に対してスパークギャップ６が設けられており、このスパークギャップ６に可燃性混合気を燃焼させるための点火電流ｉ_２が供給される。

【0030】

本発明によれば、電気エネルギ源５と昇圧トランス２の２次側４との間に、（一点鎖線の囲みで示された）バイパス７が設けられている。ここでは、インダクタンス１５がスイッチ２２及びダイオード１６を介してキャパシタ１０に接続されており、キャパシタ１０の一方の端が２次コイル９に、他方の端が電気的アース１４に接続されている。ここでのインダクタンス１５は、電流を持続させるためのエネルギ蓄積器である。ダイオード１６はキャパシタ１０へ向かって導通するように配向されている。したがって、バイパス７の構成は昇圧型コンバータとほぼ同等である。キャパシタ１０と２次コイル９との間には電流測定手段又は電圧測定手段としてのシャント抵抗１９が設けられており、その測定信号はスイッチ２２，２７へ供給される。ここで、スイッチ２２，２７は、２次コイル９を通る電流ｉ_２の電流強度が定められた範囲に入るようにする応動のために設けられている。一方のスイッチ２２のダイオード１６側の端子は、他方のスイッチ２７を介して電気的アース１４へ接続可能である。キャパシタ１０を保護するために、ツェナーダイオード２１がキャパシタ１０に対して並列に阻止方向で接続されている。

【0031】

また、スイッチング信号２８，２９は、スイッチ２２，２７が駆動されることを表す信号である。スイッチング信号２８はオン状態すなわち点火サイクル全体にわたる「閉成状態の持続」を表し、スイッチング信号２９はスイッチング信号２８と同時の交流信号であり、「閉成」と「開放」との間の交番を表す。スイッチ２２が閉鎖されると、電気エネルギ源５からインダクタンス１５へ電流が供給される。この電流は、スイッチ２２，２７の閉鎖時には直接に電気的アース１４へ流れるが、スイッチ２７の開放時にはダイオード１６及び端子３５を介してキャパシタ１０へ供給される。キャパシタ１０へ流れる電流に応じて発生する電圧が、昇圧トランス２の２次コイル９を介して降下する電圧に加えられるので、スパークギャップ６でのアークが維持される。その際にキャパシタ１０は放電し、これにより、スイッチ２７が閉鎖されて、エネルギがインダクタンス１５の磁界へ変換され、スイッチ２７があらためて開放される際に当該エネルギが再びキャパシタ１０へ充電される。

【0032】

図２から見て取れるように、１次側３に設けられているスイッチ３０の駆動時間３１は、スイッチ２２，２７の駆動時間よりも格段に短い。当該過程については図３に則して詳細に説明する。なお、スイッチ２２は本発明の過程に対して決定的な機能を担当してはおらず、回路をオンオフしているだけなので、付加的な要素であり、場合によっては省略も可能である。

【0033】

図３のグラフａには、１次コイル電流ｉ_ＺＳがスイッチ３０（グラフｃのスイッチング信号３１を参照）の導通状態（「オン状態」）の期間において短時間で急激に上昇する様子が示されている。スイッチ３０が遮断されると、１次コイル電流ｉ_ＺＳは０Ａへ低下する。グラフｂには、図２の装置１でバイパスが形成される場合の２次コイル電流ｉ_２の特性３０１とバイパスが形成されない場合の２次コイル電流ｉ_２の特性３００とが示されている。１次コイル電流ｉ_ＺＳがスイッチ３０の開放によって０となり、昇圧トランス内に蓄積されていた磁気エネルギがスパークギャップ６のアークとして放電されると、２次コイル電流ｉ_２が発生するが、これはバイパスが形成されない場合（３００）には急速に０へ低下する。対して、スイッチ２２が閉鎖され（グラフｄのスイッチング信号２８を参照）、かつ、スイッチ２７がパルス駆動される（グラフｅのスイッチング信号２９を参照）と、バイパスが形成され（３０１）、スパークギャップ６でほぼ一定の２次コイル電流ｉ_２が得られる。２次コイル電流ｉ_２はスパークギャップ６の燃焼電圧に依存して変化するが、ここではわかりやすくするために一定の燃焼電圧が出力されるものとする。スイッチ２２，２７双方が開放されることによりバイパス７が遮断されてはじめて、２次コイル電流ｉ_２は０へ低下する。グラフｂから、立ち下がりエッジが所定時間ｔ_{ＨＳＳ＿ａ}だけ遅延されることが見てとれる。ここでは、バイパスが用いられる全時間がｔ_ＨＳＳで示されており、１次側のエネルギが昇圧トランス２へ供給される時間がｔ_ｉで示されている。時間ｔ_ｉに対する時間ｔ_{ＨＳＳ＿ａ}の開始時点は可変に選定できる。

【0034】

図４には、本発明の点火装置１の図２の回路の代替的実施例が示されている。回路の入力側、言い換えれば、電気エネルギ源５への端子には、保護部２６が設けられている。また、入力電圧の安定化のために、キャパシタ１７が、回路の入力側に対して並列に、又は、電気エネルギ源５に対して並列に、配置されている。さらに、インダクタンス１５は、１次側１５＿１及び２次側１５＿２を有するトランスによって置換されている。ここで、１次側１５＿１は１次コイルを含み、２次側１５＿２は２次コイルを含む。トランスの第１の端子は、電気エネルギ源５と保護部２６とに接続されている。この場合、１次側１５＿１の第２の端子はスイッチ２７を介して電気的アース１４に接続されており、２次側１５＿２の第２の端子はスイッチを介さずに直接にダイオード１６に接続されている。

【0035】

スイッチ２７による１次側１５＿１の分岐での切り換え過程は、変換比に基づいて、２次側１５＿２にも作用する。また、トランス１５の一方側の電流及び電圧は、変換比により、他方側の電流及び電圧に比べて増大乃至低減されるので、切り換え過程にとって有利なようにスイッチ２７の寸法を設計することができる。例えば、小さな切り換え電圧を実現することにより、スイッチ２７の構成を簡単かつ低コストにすることができる。なお、スイッチ２７は、ドライバ２５を介してスイッチ２７に接続された駆動部２４によって制御される。さらに、図２に示されているように、２次側電流ｉ_２乃至キャパシタ１０にかかる電圧を測定し、これらの電流乃至電圧をスイッチ２７の駆動部２４へ供給するためのシャント抵抗１９も設けられている。駆動部２４は制御信号Ｓ_ＨＳＳを受け取り、この制御信号Ｓ_ＨＳＳによって、バイパスを介した２次側へのエネルギ供給をオンオフする。ここで、バイパスを介して又は直接にスパークギャップへ導入される電気エネルギ量は、特にその周波数及び／又はパルスオンオフ比に関して、適切な制御信号によって制御される。

【0036】

付加的に、以下では高電圧ダイオード３３で表す非線形２極素子を、高電圧発生器２の２次コイル９に並列に接続してもよい。高電圧ダイオード３３が高電圧発生器２を２次側で橋絡することにより、昇圧型コンバータの形態の（一点鎖線の囲みで示された）バイパス７を介して送出されるエネルギを、高電圧発生器２の２次コイル９を通すことなく、直接にスパークギャップ６へ供給できる。したがって、２次コイル９を介した損失は生じず、効率が向上する。図４の残りの要素は図２の要素に対応するので、繰り返しては説明しない。

【0037】

図５には、図４の回路の別の代替的な実施例が示されている。ここでは、高電圧ダイオード３３が、スパークギャップ６へ向かう順方向で、昇圧型コンバータの形態の（一点鎖線の囲みで示された）バイパス７のエネルギ蓄積器１０とスパークギャップ６との間に配置されている。これにより、高電圧ダイオード３３が高電圧発生器２を２次側で橋絡するので、バイパス７を通って送出されるエネルギを、高電圧発生器２の２次コイル９を通すことなく、直接にスパークギャップ６へ供給できる。したがって、２次コイル９を介した損失が生じず、効率が向上する。

【0038】

図６には、ａ）点火コイル電流ｉ_ＺＳ、ｂ）バイパス電流ｉ_ＨＳＳ、ｃ）スパークギャップ６にかかる出力側の電圧、ｄ）図４の点火装置でバイパスが形成されない場合の２次コイル電流ｉ_２の特性５０１及びバイパスが形成される場合の２次コイル電流ｉ_２の特性５０２、ｅ）スイッチ３０のスイッチング信号３１、ｆ）バイパス７のパルス信号に対するスイッチ２７のスイッチング信号３２、が示されている。図３のグラフに関連して説明したことは、わかりやすくするために繰り返さない。

【0039】

また、グラフｂ）には、本発明のバイパス７においてスイッチ２７をパルス駆動した場合に生じる電流消費量も示されている。実際には、相応の電圧を形成し、許容可能な効率を実現するために、スイッチング周波数として数十ｋＨｚの領域のクロックレートが用いられる。例えば、可能領域の限界値として、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの領域における１００００Ｈｚの整数倍の値が挙げられる。スパークギャップへ出力されるエネルギを制御するには、相応の出力信号を形成するための信号２９，３２のオンオフ比を特に無段階式で制御することが推奨される。さらに、付加的なＤＣ／ＤＣ変換器によって、本発明のバイパスにおける処理の前に、電気エネルギ源から送出される電圧を高めてもよい。なお、具体的な構成は、回路内部及び回路外の種々の境界条件に依存することを理解されたい。個々の目的に合わせて考慮すべき境界条件に適した設計を当業者が自ら行えることは、容易に理解されるはずである。

【0040】

本発明は特に以下の各発明を対象としている。
［第１発明］
点火装置（１）であって、
それぞれ１次側（３）及び２次側（４）を有する少なくとも１つの高電圧発生器（２）と、
前記１次側（３）に接続可能な電気エネルギ源（５）と、
前記高電圧発生器（２）を介して前記２次側（４）へ伝送される電流が供給されるように構成されたスパークギャップ（６）と
を含む、
点火装置において、
前記高電圧発生器（２）は、前記２次側（４）へ電気エネルギを伝送するバイパス（７）を含む、
ことを特徴とする点火装置。
［第２発明］
前記高電圧発生器（２）は、昇圧トランスとして構成されており、かつ、１次側に１次コイル（８）及び２次側に２次コイル（９）を有しており、
前記バイパス（７）は、前記２次コイル（９）にかかる電圧に加えられる所定の電圧、又は、前記２次コイル（９）に対して並列に供給される所定の電圧を形成するように構成されており、
特に、前記電気エネルギ源（５）に対して並列に入力側キャパシタ（１７）が設けられている、
第１発明記載の点火装置。
［第３発明］
前記バイパス（７）は、エネルギ蓄積器（１０）、例えばキャパシタを含んでおり、
特に、前記エネルギ蓄積器の第１の端子が前記高電圧発生器（２）の２次側端子に接続されており、かつ、前記エネルギ蓄積器の第２の端子が電気的アース（１４）に接続されており、
特に、前記電気エネルギ源（５）と前記エネルギ蓄積器（１０）との間に、有利には切り替え可能に、インダクタンス（１５）が設けられている、
第１発明又は第２発明記載の点火装置。
［第４発明］
前記インダクタンス（１５）と前記エネルギ蓄積器（１０）との間に、第１の非線形２極素子（１６）が、例えば第１のダイオードの形態で、設けられており、前記第１の非線形２極素子（１６）は前記キャパシタ（１０）へ向かう順方向を有しており、
特に、前記インダクタンス（１５）及び前記第１の非線形２極素子（１６）の共通の端子（３５）と電気的アース（１４）との間に、切り替え可能な接続部が設けられている、
第１発明から第３発明までのいずれか１つの発明記載の点火装置。
［第５発明］
電流測定手段（１９）及び／又は電圧測定手段及び／又は電力測定手段として、特に、点火電流又はエネルギ蓄積器（１０）を介した電圧を測定するシャント抵抗が設けられており、該シャント抵抗は、前記バイパス（７）内の少なくとも１つのスイッチ（２２，２７）を駆動する信号を供給するように構成されており、及び／又は、
第２の非線形２極素子（２１）が、特には第２のダイオードの形態で、前記エネルギ蓄積器（１０）の過電圧保護のために、前記エネルギ蓄積器（１０）に対して並列に接続されている、
第１発明から第４発明までのいずれか１つの発明記載の点火装置。
［第６発明］
前記インダクタンス（１５）は、１次側（１５＿１）及び２次側（１５＿２）を有する変換器として構成されており、
前記１次側（１５＿１）の第１の端子は前記電気エネルギ源（５）に接続されており、前記１次側（１５＿１）の第２の端子はスイッチ（２７）を介して電気的アース（１４）に接続されており、
前記２次側（１５＿２）の第１の端子は前記電気エネルギ源（５）に接続されており、前記２次側（１５＿２）の第２の端子は前記第１の非線形２極素子（１６）に接続されている、
第３発明から第５発明までのいずれか１つの発明記載の点火装置。
［第７発明］
前記バイパス（７）は昇圧型コンバータを含み、及び／又は、
前記高電圧発生器（２）の２次側に、第３の非線形２極素子（３３）による橋絡部が設けられており、特に前記第３の非線形２極素子（３３）は第３のダイオードの形態で構成されている、
第１発明から第６発明までのいずれか１つの発明記載の点火装置。
［第８発明］
内燃機関に対する点火スパークの形成方法であって、
電気エネルギ源（５）から取り出され、１次側（３）及び２次側（４）を有する高電圧発生器（２）を介してスパークギャップ（６）へ供給される電気エネルギを用いて、点火スパークを形成するステップを含み、
特に、前記高電圧発生器（２）は昇圧トランスである、
方法において、
前記電気エネルギ源（５）からバイパス（７）を介して前記２次側（４）へ伝送される電気エネルギにより、前記点火スパークを維持するステップを含む
ことを特徴とする方法。
［第９発明］
前記点火スパークを維持するための前記電気エネルギは、前記高電圧発生器（２）の２次側（４）に対して直列又は並列の電圧として結合され、
前記点火スパークを維持するための前記電気エネルギは、特にキロヘルツ領域、有利には１０ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの領域にある、制御されたパルスシーケンスとして、電気エネルギ源（５）から供給される、
第８発明記載の方法。
［第１０発明］
前記点火スパークを維持するための前記電気エネルギは、前記バイパス（７）内の昇圧型コンバータを介して前記スパークギャップ（６）へ到達する、
第８発明又は第９発明記載の方法。

【0041】

本発明の中心的なアイデアは、公知の点火装置の昇圧トランスにまとめられていた２つの機能を、高電圧発生器の適切な設計と電気エネルギの効率的利用とを目的として、有利に分割するということである。このために、従来技術と同様に点火スパークを形成する高電圧発生器と、スパークギャップで形成されるアークを維持するバイパスとが設けられる。この場合、バイパスは、例えば高電圧発生器の１次側などの電気エネルギ源からのエネルギを取り入れて、トランス電圧の立ち下がりエッジを支え、燃焼電圧を下回る電圧への低下を遅延させる。なお、当業者は、本発明のバイパスの有利な実施例を昇圧型コンバータのタイプに応じて動作する回路構造として認識できるはずである。ここで、昇圧型コンバータの入力側は、電気エネルギ源に対して並列に接続され、昇圧型コンバータの出力側は高電圧発生器の２次側に対して直列又は並列に配置される。本発明における「電気エネルギ源」とは、種々の形態で構成可能であり、例えば別のエネルギ変換装置（ＤＣ／ＤＣ変換器）を含むものであってよい。本発明のアイデアが物体としてのエネルギ源に限定されないことは、当業者には明らかであろう。

【0042】

本発明の特徴及び態様を図示の有利な実施例に則して詳細に説明したが、特許請求の範囲に規定されている本発明の権利範囲から離れることなく、実施例の特徴の任意の修正乃至組み合わせが可能であることは、当業者には容易に理解されるはずである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】