特許 6443367 内燃機関の点火装置

(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】6443367

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】内燃機関の点火装置

(51)【国際特許分類】

   F02P 15/08 20060101AFI20181217BHJP

   F02P 17/12 20060101ALI20181217BHJP

   F02P 13/00 20060101ALI20181217BHJP

【ＦＩ】

   F02P15/08 301F

   F02P17/00 E

   F02P15/08 302A

   F02P13/00 302Z

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-51160(P2016-51160)

(22)【出願日】2016年3月15日

(65)【公開番号】特開2017-166381(P2017-166381A)

(43)【公開日】2017年9月21日

【審査請求日】2017年6月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木下 雅夫

(72)【発明者】

【氏名】冬頭 孝之

(72)【発明者】

【氏名】佐山 勝悟

(72)【発明者】

【氏名】増田 糧

(72)【発明者】

【氏名】平井 宏俊

(72)【発明者】

【氏名】永岡 真

【審査官】 西中村 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１２８１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１７９４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０５７５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１５２８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３１５１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−３０２５６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−００７３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１７６６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９０７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５３２００７５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２１５１０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１２４６７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開昭４９−０４６０３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｐ １／００− ３／１２

Ｆ０２Ｐ ７／００−１７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、
前記燃焼室の頂面中央部に配置されている第１点火栓と、
前記燃焼室の頂面中央部であって、前記第１点火栓に対して前記燃焼室内を流れる気流の下流側に配置されている第２点火栓と、を備え、
前記第１点火栓が放電を開始した後、前記第２点火栓は放電を開始し、
前記第１点火栓が放電を開始してから前記第２点火栓が放電を開始するまでの遅れ時間は、前記気流の速度に応じて定められており、
前記第２点火栓の放電により、前記第１点火栓で形成された初期火炎にエネルギが付与される、
点火装置。

【請求項2】

請求項１に記載の点火装置であって、
前記第２点火栓と電気的に接続されているイオン電流検出回路を更に備え、
前記第１点火栓で形成された初期火炎の前記第２点火栓への到達を前記イオン電流検出回路が検出した時点で、前記第２点火栓が放電を開始する、点火装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の点火装置であって、
前記第２点火栓は、前記第１点火栓が供給する放電エネルギよりも大きい放電エネルギを供給する、点火装置。

【請求項4】

請求項３に記載の点火装置であって、
前記第２点火栓に対して前記気流の下流側に電磁場を印加する電磁場印加手段を更に備える、点火装置。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか一項に記載の点火装置であって、
前記第１点火栓と前記第２点火栓との間の距離が前記燃焼室のボア径の３分の１以下である、点火装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関の点火装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、複数の点火栓を用いて燃焼室内の混合気に点火する、いわゆる多点点火式の内燃機関が知られている。多点点火式の内燃機関では、混合気の着火性が向上し、リーンバーン運転やＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気還流）を行う際にも着火を安定化させることができる。

【0003】

特許文献１には、火花点火式の内燃機関であって、燃焼室のボア端部に配置されるボア端点火プラグと、燃焼室の中央部分に配置される中央点火プラグとを備え、ボア端点火プラグのプラグギャップ初期値と、中央点火プラグのプラグギャップ初期値とが異なる内燃機関に関する発明が記載されている。

【0004】

特許文献２には、同一の燃焼室に点火プラグを複数備える内燃機関であって、燃焼室の中央部に少なくとも１個配置される第１点火プラグと、燃焼室のボア端部側に少なくとも１個配置されて、点火時における燃焼室内圧力が所定の基準値よりも大きい場合には、放電が停止される第２点火プラグと、を備える内燃機関に関する発明が記載されている。

【0005】

特許文献３には、低温プラズマ及び熱プラズマの少なくとも一方を発生させる点火手段と、筒内ガス密度を推定可能な筒内ガス状態検知手段と、を有し、点火時期における筒内ガス密度が第１所定値以上のときには、少なくとも低温プラズマを発生させて筒内の混合気に点火することを特徴とする内燃機関の点火制御装置に関する発明が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００５−３１５１０５号公報

【特許文献2】特開２００７−４６４７４号公報

【特許文献3】特開２０１３−２３８１２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、従来の内燃機関の点火装置において点火栓の放電により初期火炎（火炎核）が形成された場合に、形成直後の初期火炎が、燃焼室内を流れる気流とともに移動し、放電路から離れることがある。この場合、放電路から離れた初期火炎にはエネルギが供給されないため、初期火炎における酸化反応によって発生するエネルギが周囲の未燃混合気への放熱エネルギを下回ると、初期火炎は成長を止め、失火してしまうことになる。

【0008】

特許文献１〜３に記載の発明は、燃焼室内の位置、点火要求電圧又は点火方式等が異なる点火手段を複数有することで、燃焼室の環境が異なる場合の失火を抑制できることが記載されている。しかしながら、特許文献１〜３には、点火手段で形成された初期火炎が気流とともに移動して放電路から離れることにより失火が生じるとの課題については、一切記載されていない。

【0009】

内燃機関の点火装置であって、燃焼室内を流れる気流によって生じる初期火炎の失火を抑制し、安定した燃焼が得られる点火装置を提供することが強く望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る点火装置は、燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、前記燃焼室の頂面中央部に配置されている第１点火栓と、前記燃焼室の頂面中央部であって、前記第１点火栓に対して前記燃焼室内を流れる気流の下流側に配置されている第２点火栓と、を備え、前記第１点火栓が放電を開始した後、前記第２点火栓は放電を開始し、前記第１点火栓が放電を開始してから前記第２点火栓が放電を開始するまでの遅れ時間は、前記気流の速度に応じて定められている。

【0011】

好適な態様では、前記点火装置は、前記第２点火栓と電気的に接続されているイオン電流検出回路を更に備え、前記第１点火栓で形成された初期火炎の前記第２点火栓への到達を前記イオン電流検出回路が検出した時点で、前記第２点火栓が放電を開始する。

【0012】

他の好適な態様では、前記点火装置において、前記第２点火栓が、前記第１点火栓が供給する放電エネルギよりも大きい放電エネルギを供給する。

【0013】

他の好適な態様では、前記点火装置は、前記第２点火栓に対して前記気流の下流側に電磁場を印加する電磁場印加手段を更に備える。

【0014】

他の好適な態様では、前記点火装置において、前記第１点火栓と前記第２点火栓との間の距離が前記燃焼室のボア径の３分の１以下である。

【発明の効果】

【0015】

本発明に係る点火装置によれば、第１点火栓で形成された初期火炎が放電路から離れても、第２点火栓により初期火炎にエネルギを供給できるため、燃焼室内を流れる気流によって生じる初期火炎の失火を抑制するとともに、初期火炎を成長させ、内燃機関における燃焼の安定化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１の実施形態に係る点火装置の一例を示す図面である。

【図2】第１の実施形態に係る点火装置の放電電流を示す図面である。

【図3】従来の点火栓の構成を示す図面である。

【図4】従来の点火栓の回路図である。

【図5】従来の点火栓の放電電圧及び放電電流を示す図面である。

【図6】従来の点火栓の気流中での放電挙動を示す図面である。

【図7】従来の点火栓の気流中での放電電圧を示す図面である。

【図8】従来の点火装置を用いた気流中での混合気の着火の態様を示す図面である。

【図9】第１の実施形態に係る点火装置を用いた気流中での混合気の着火の態様を示す図面である。

【図10】第１の実施形態に係る点火装置の他の例を示す図面である。

【図11】第２の実施形態に係る点火装置が備えるイオン電流検出回路の構成を示す図面である。

【図12】第２の実施形態に係る点火装置の放電電流を示す図面である。

【図13】第３の実施形態に係る点火装置の一例を示す図面である。

【図14】第３の実施形態に係る点火装置の他の例を示す図面である。

【図15】第３の実施形態に係る点火装置の他の例を示す図面である。

【図16】第３の実施形態に係る点火装置の他の例を示す図面である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料及び取付位置は、説明のための例示であって、内燃機関の仕様に応じて適宜変更することができる。すべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。

【0018】

＜第１の実施形態＞
図１に、本発明の第１実施形態に係る点火装置１０の一例を示す。本実施形態に係る点火装置１０は、内燃機関に備えられている。内燃機関は、ピストン１２とシリンダ１４とを備え、ピストン１２は、シリンダ１４の内部に往復移動可能に収納されている。燃焼室１８は、ピストン１２、シリンダ１４及びシリンダ１４の頂部であるシリンダヘッド１６によって形成される。シリンダヘッド１６には、第１点火栓２０、第２点火栓２２、吸気弁（図示しない）及び排気弁（図示しない）が配置されている。燃焼室１８は、吸気弁を介して吸気口（図示しない）と接続し、排気弁を介して排気口（図示しない）と接続している。

【0019】

図１（ａ）は、シリンダヘッド１６に設けられている第１点火栓２０及び第２点火栓２２を含む面における本実施形態に係る点火装置１０を示し、図１（ｂ）は、燃焼室１８の頂面側から見たシリンダヘッド１６における第１点火栓２０及び第２点火栓２２の配置を示す。

【0020】

吸気工程においては、吸気弁が開くとともにピストン１２が下降することで、吸気口から燃焼室１８内に吸気ガスが導入される。これと同時期に、吸気口に配置されている燃料噴射弁（図示せず）から吸気口に燃料が噴射され、吸気ガスと混合することにより、燃焼室１８に混合気が導入される。圧縮工程においては、吸気弁が閉じてピストン１２の上昇により混合気が圧縮される。

【0021】

内燃機関は、混合気が燃焼室１８に導入される際に、燃焼室１８において混合気が気流（流動）を形成するように構成されている。図１において、矢印αは気流の流れる方向を示す。燃焼室１８の内部に形成される気流としては、例えば、図１の矢印αで示すような、ピストン１２の運動方向に対して略平行な縦渦の気流（タンブル流とも呼ばれる）が挙げられる。また、燃焼室１８の内部に形成される気流は、ピストン１２の運動方向に対して略垂直な横渦の気流（スワール流とも呼ばれる）、又は、縦渦の気流と横渦の気流とが合成された気流であってもよい。

【0022】

燃焼室１８において気流を形成することにより、燃焼室１８内の吸気ガス及び燃料の混合が促進され、内燃機関の燃焼効率の向上が図られる。燃焼室１８における気流は、例えば、ピストン１２の頂部の形状、吸気口に設けられる吸気制御弁等によって、形成及び制御することができる。このようにして形成された気流は、吸気工程の後、圧縮工程を経て点火時期に達した場合でも、燃焼室１８に残存する。

【0023】

燃焼室１８において圧縮された混合気は、本実施形態に係る点火装置１０によって着火される。燃焼後のガスは、排気工程において排気弁が開くことで、排気口へ排出される。

【0024】

本実施形態に係る点火装置１０は、図１に示すように、燃焼室１８の頂面中央部に第１点火栓２０及び第２点火栓２２を備える。第１点火栓２０及び第２点火栓２２は、点火栓距離Ｌをおいて近接して配置されており、第２点火栓２２は、第１点火栓２０に対して燃焼室１８の内部を流れる気流の下流側に位置している。第１点火栓２０及び第２点火栓２２はいずれも、燃焼室１８の頂面において、シリンダヘッド１６から燃焼室１８の中心に突出するように設けられている。

【0025】

本実施形態に係る点火装置１０は、第１点火栓２０が放電を開始した後、遅れて第２点火栓２２が放電を開始する。図２に、第１点火栓２０及び第２点火栓２２に流れる放電電流のグラフを示す。図２に示すように、本実施形態に係る点火装置１０は、第１点火栓２０の放電開始から遅れ時間Ｔ１を経過して第２点火栓２２が放電を開始し、この遅れ時間Ｔ１は、燃焼室１８の内部を流れる気流の速度に応じて定められている。なお、燃焼室１８の内部を流れる気流の速度が０である場合、本実施形態に係る点火装置１０は、第１点火栓２０と第２点火栓２２とが同時に放電を開始するように設定されていてもよい。

【0026】

本実施形態に係る点火装置１０につき、第１点火栓２０及び第２点火栓２２の配置等に関して「気流の下流側」等という場合の「気流」とは、燃焼室１８の内部を流れる気流のうち、燃焼室１８の頂面の中心近傍を流れる気流を意味している。当該「気流」は、例えば、点火装置１０の点火時期、例えば上死点の−４０°から１０°までの期間において、燃焼室１８の頂面の中心を流れる気流の向き及び速度の平均値に基づいて、その向きや速度が規定されていてもよい。

【0027】

本実施形態の点火装置１０において、第１点火栓２０及び第２点火栓２２が配置されている燃焼室１８の「頂面中央部」とは、燃焼室１８の頂面に含まれる領域であって、吸気弁及び排気弁が設けられておらず、吸気弁の中心及び排気弁の中心よりも内側にある領域である。例えば、内燃機関が燃焼室１８の頂面に一対の吸気弁及び一対の排気弁を備える場合、燃焼室１８の頂面の、隣り合う吸気弁及び排気弁の中心どうしを結ぶ直線によって囲まれる四角形の内側であって、吸気弁及び排気弁が設けられていない領域が、燃焼室１８の頂面中央部に相当する。燃焼室１８の頂面中央部は、例えば、燃焼室１８の中心から、シリンダ１４の内径（ボア径）の６分の１の半径を有する円の内部であってもよい。

【0028】

本実施形態の点火装置１０における第１点火栓２０及び第２点火栓２２としては、例えば図３に示すような、従来の火花点火方式の点火栓２４（スパークプラグ）を使用することができる。また、第１点火栓２０及び第２点火栓２２として、中心電極と接地電極との間に交流電圧を印加してストリーマ放電を発生させる点火プラグ、或いは、マイクロ波発生装置により発生したマイクロ波パルスを導波管を通して燃焼室内に伝送し、放電電極においてマイクロ波放電を発生させる点火プラグを使用してもよい。

【0029】

図３を参照しながら、従来の火花点火方式の点火栓２４について説明する。点火栓２４は、外側の筒状に形成された金具ハウジングと、金具ハウジングの内側に保持された絶縁碍子とを有する点火栓本体２６を備え、絶縁碍子の先端が、燃焼室１８内に突出している。そして突出した絶縁碍子の先端には中心電極２８が設けられる。中心電極２８の中心軸は、点火栓本体２６の中心軸と一致する。

【0030】

点火栓２４は、例えば、シリンダヘッド１６にねじ結合で取り付けられる。点火栓２４は、金具ハウジングの下端部から燃焼室１８内に延びた接地電極３０を備える。接地電極３０は、例えば、金具ハウジングから燃焼室１８内に延びて、絶縁碍子の延びる方向において中心電極２８と対面するように、先端がＬ字形に屈曲した形状を有する。点火栓２４は、放電により中心電極２８と接地電極３０の先端部分との間（以下「電極間」ともいう）の空隙において火花を発生させるように構成され、この火花によって、混合気が着火する。点火栓２４における電極間の距離は、初期要求電圧等に応じて適宜調整されるが、例えば、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、１ｍｍ程度が好ましい。

【0031】

第１点火栓２０及び第２点火栓２２は、点火栓距離Ｌをおいて配置されている。点火栓距離Ｌは、より詳しくは、両者の中心電極２８どうしの間の距離である。第１点火栓２０及び第２点火栓２２の中心軸が略平行である場合は、両者の中心軸どうしの間の距離を点火栓距離Ｌとすることもできる。

【0032】

図４に、点火栓２４の回路図を示し、図５に、点火栓２４を点火する際の充電信号、電極間の２次電圧及び２次電流の変動を示す。電気エネルギを供給する電源３４は、イグナイタ３６を介してイグニッションコイル３８に電気的に接続されている。イグニッションコイル３８は１次コイル４０と２次コイル４２とで構成され、両者のコイル巻数の差によって、２次コイルに高電圧を生じさせることができる。２次コイル４２は点火栓２４の中心電極２８と電気的に接続されている。

【0033】

点火栓２４の点火は、下記のようにして行う。まず、充電信号を用いてイグナイタ３６をオンにし（図５における（ア））、電源３４とイグニッションコイル３８とを電気的に接続する。これにより、イグニッションコイル３８の１次コイル４０に１次電流が流れ、電気エネルギが蓄えられる。１次コイル４０に蓄えるエネルギの量は、充電信号の期間で制御される。次いで、イグナイタをオフにして（図５における（イ））電源３４との接続を切り離すことで、２次コイル４２に２次電圧が発生し、２次電流が点火栓２４に流れる。点火栓２４の中心電極２８と接地電極３０との間の空隙に高電圧が加わり、絶縁が破れると、電気火花が発生して放電路３２が形成される。やがて２次電流が流れなくなり（図５における（ウ））、放電期間が終了する。

【0034】

火花方式の点火栓２４において、運転条件等により変わるため特に制限されないが、例えば、放電の期間は１ｍｓ〜数ｍｓ程度であり、放電電圧（２次電圧）は数ｋＶ〜数十ｋＶであり、放電電流のピーク値は数十ｍＡ〜数百ｍＡであり、放電のエネルギは数十ｍＪ〜数百ｍＪである。

【0035】

以下、本実施形態に係る点火装置１０が有する作用及び効果を、従来技術との比較によって説明する。

【0036】

放電路３２は、燃焼室１８の内部に気流が存在しない場合、図３に示すように、中心電極２８の中心軸の近傍において、点火栓２４の中心電極２８と接地電極３０との間を最短距離で結ぶように形成される。しかしながら、放電路３２の形状は、燃焼室１８の内部に気流が存在する場合、両電極間を流れる気流によって時間的に変化する。

【0037】

図６に、燃焼室１８の内部に気流が存在する場合における、放電路３２の形状の時間的な変化を示す。上述の通り、燃焼室１８においては、導入された混合気がタンブル流、スワール流またはこれらの合成気流等の気流を形成し、この気流成分が点火時期においても燃焼室１８の内部に残存する。図６では、点火栓２４が形成される燃焼室１８の頂面の中心近傍に矢印αの向き（紙面の左側から右側）に気流が生じているため、点火栓２４が放電している間、点火栓２４の中心電極２８及び接地電極３０は、点火栓２４の中心軸に対して略垂直に流れる気流に曝されている。

【0038】

図６（ａ）に示すように、燃焼室１８内を流れる気流中で点火栓２４の放電を開始すると、放電開始直後の放電路３２は、中心電極２８と接地電極３０との間を直線で結ぶ形状となるが、放電路３２は、時間が経過して混合気が流されるにつれて、下流側が凸となるＵ字型に変形しながら伸長する（図６（ｂ））。

【0039】

やがて、放電路３２がある程度伸長すると（図６（ｃ））、放電路３２において短絡が生じ、放電路３２の長さが短縮する（図６（ｄ））。その後、放電路３２は再び伸長する（図６（ｅ））。燃焼室１８の内部を流れる気流が存在する場合は、点火栓２４が放電を行っている期間中、このような放電路３２の伸長及び短絡が繰り返される。

【0040】

点火栓２４の放電期間において、点火栓２４の中心軸から離れて放電路３２が到達した距離の最大値を、最大伸長距離Ｌ１という。放電路３２の最大伸長距離Ｌ１は、例えば、放電電流の大きさ、気流の速度、燃焼室１８の雰囲気圧力及び雰囲気温度等により変動する。

【0041】

図７に、燃焼室１８の内部に気流が存在する場合の、放電期間における放電電圧波形を示す。図７に示す通り、放電路３２の伸長及び短絡により、両電極間の放電電圧について、鋸状の電圧波形がもたらされる。放電路３２が伸びると、その抵抗値が増すために中心電極２８と接地電極３０との間の放電電圧は増加し、放電路３２が短絡すると、放電電圧は低下するためである。

【0042】

図８は、従来の点火栓２４を１つ備える内燃機関において、燃焼室１８の内部に気流が存在する場合に、初期火炎４４（火炎核）が形成されてから、放電路３２から離れるまでの過程を示す図面である。

【0043】

放電路３２の温度は３０００Ｋ以上に達するため、放電路３２が点火栓２４に形成されると、放電路３２の周囲に熱が供給されて燃料の酸化反応が起こり、放電路３２上に初期火炎４４が形成（着火）される（図８（ａ））。

【0044】

時間が経過するにつれ、燃焼室１８の内部を流れる気流によって放電路３２は下流に向かって伸長し、初期火炎４４も放電路３２に伴って下流に移動する。それとともに、初期火炎４４の反応熱によるエネルギと放電路３２からのエネルギとを受けて、初期火炎４４の周囲の燃料の酸化反応が促進され、初期火炎４４はより大きく成長する（図８（ｂ）、（ｃ））。

【0045】

やがて、放電路３２が最大伸長距離Ｌ１に達すると、放電路３２は短絡する一方、初期火炎４４は気流の流れに乗って下流方向に移動し続ける。これにより、初期火炎４４は放電路３２から離れ、放電路３２からのエネルギを受けることができなくなる（図８（ｄ））。その後、初期火炎４４の酸化反応エネルギが周囲の未燃混合気への放熱エネルギを下回ると、初期火炎４４は成長が止まり、やがては失火に至ってしまう（図８（ｅ））。

【0046】

図９に、本実施形態に係る点火装置１０を用いて混合気を着火し、その後、初期火炎４４が成長する過程を示す。以下、本実施形態の点火装置１０における第１点火栓２０及び第２点火栓２２として、図３に示す点火栓２４（スパークプラグ）を用いる態様を例に、説明する。

【0047】

本実施形態に係る点火装置１０においては、第２点火栓２２は、第１点火栓２０に対して下流側に、第１点火栓２０から点火栓距離Ｌをおいて配置されている（図９（ａ））。１つの点火栓２４を備える従来の装置と同様に、第１点火栓２０が放電を開始すると、時間が経過するにつれて放電路３２は下流方向に向かって伸長し、放電路３２上で形成された初期火炎４４もそれに伴って下流方向に移動するとともに、より大きな初期火炎４４へと成長する。やがて、第１点火栓２０の放電路３２が最大伸長距離Ｌ１に達すると、初期火炎４４は、第１点火栓の放電路３２から離れて下流方向に移動し、第１点火栓の放電路３２からエネルギを受けることができなくなる。

【0048】

しかしながら、図９（ｂ）に示す通り、本実施形態に係る点火装置１０においては、第１点火栓２０の下流側に第２点火栓２２が配置されている。ここで、第１点火栓２０の放電路３２から離れた初期火炎４４が第２点火栓２２に到達する時期に、第２点火栓２２が放電を開始して放電路３２を形成する。これにより、初期火炎４４は、第２点火栓２２の放電路３２からエネルギを受け取り、第１点火栓の放電路３２から離れても失火しないのみならず、追加のエネルギを得て更に大きな火炎へと成長することができる（図９（ｃ））。

【0049】

上述の通り、放電路３２、及び放電路３２上で形成された初期火炎４４（火炎核）は、燃焼室１８を流れる気流に伴って移動するため、第１点火栓２０が放電を開始してから初期火炎４４が第２点火栓２２に到達するまでの経過期間は、気流の速度に応じた長さとなる。そこで、第１点火栓２０の放電開始から第２点火栓２２の放電開始までの遅れ時間Ｔ１を気流の速度に応じた長さとすることにより、第１点火栓２０の放電路３２から離れて第２点火栓２２に到達した初期火炎４４が、第２点火栓２２に形成された放電路３２からエネルギを受け取ることが可能となる。

【0050】

燃焼室１８の内部を流れる気流は、例えば、ピストン１２の頂部の形状等の燃焼室１８の形状、並びに、吸気弁、吸気制御弁及びスロットル等の吸気経路に設けられる各吸気機構の開度等によって決定される。これらの情報に基づいて、燃焼室１８の頂面の中心近傍を流れる気流の向き及び速度を導出することができる。

【0051】

本実施形態に係る点火装置１０において、遅れ時間Ｔ１は、初期火炎４４が第２点火栓２２に到達するより前に第２点火栓２２が放電を開始するよう、気流の速度に応じて定められる。気流の速度が遅ければ遅れ時間Ｔ１を長くし、気流の速度が速ければ遅れ時間Ｔ１を短くすればよい。図５に示す通り、放電開始の直後は電流が大きく、初期火炎４４に付与可能なエネルギも大きいことから、遅れ時間Ｔ１を、第１点火栓２０が放電を開始してから初期火炎４４が第２点火栓２２に到達するまでの時間と略同じになるように調整することが好ましい。遅れ時間Ｔ１は、例えば、点火栓距離Ｌを気流の速度で除した値に基づいて定められる。

【0052】

本実施形態に係る点火装置１０は、第１点火栓２０及び第２点火栓２２を備え、第２点火栓が第１点火栓に対して気流の下流側に配置され、第１点火栓２０が放電を開始し、気流の速度に応じた遅れ時間Ｔ１を経過してから第２点火栓２２が放電を開始することにより、第１点火栓２０で形成された初期火炎４４が放電路３２の短絡によって放電路３２から離れても、第２点火栓２２により初期火炎４４へのエネルギの供給を補うことが可能になる。その結果、第１点火栓２０の成長過程にある初期火炎４４に追加のエネルギを供給できるため、燃焼室１８の内部に気流が存在する場合における、初期火炎４４の失火が抑制され、初期火炎４４の正常な火炎伝播をもたらすことが可能になる。

【0053】

本実施形態に係る点火装置１０は、特に、気流の流速が速い場合、及び、希薄燃焼（リーンＡ／Ｆ、ＥＧＲ希釈）等の難燃条件の下においても、初期火炎４４の失火や消炎を抑制し、混合気の着火の安定化が実現できるため、有用である。

【0054】

本実施形態の点火装置１０においては、点火栓距離Ｌが燃焼室１８のボア径の３分の１以下であることが好ましい。なお、燃焼室１８のボア径とはシリンダ１４の内径である。点火栓距離Ｌを当該ボア径の３分の１以下とすることで、初期火炎４４にエネルギを補い、第２点火栓２２に到達する前の失火を更に抑制できるためである。また、点火栓距離Ｌは、第１点火栓２０の放電路３２の最大伸長距離Ｌ１以上であることが好ましい。点火栓距離Ｌが最大伸長距離Ｌ１未満であると、第１点火栓２０と第２点火栓２２との間で電極間の短絡が生じることがあるためである。

【0055】

本実施形態の点火装置１０は、図１０に示すように、１つの点火栓本体２６に、中心電極２８及び接地電極３０の組合せを２組設け、それぞれを第１点火栓２０及び第２点火栓２２とする一体構造を有してもよい。

【0056】

また、図９では、第１点火栓２０及び第２点火栓２２がいずれも火花点火方式の点火栓２４（スパークプラグ）である場合について例示しているが、第２点火栓２２としては、上述の通り、初期火炎４４にエネルギを付与するものである限り特に制限されることは無く、例えば、ストリーマ放電またはマイクロ波放電を発生させる点火プラグを使用してもよい。

【0057】

第１点火栓２０及び第２点火栓２２が放電を開始するタイミングは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）を用いて制御される。ＥＣＵは、例えば、予め入力された燃焼室１８及び各吸気機構の形状等に関する情報、並びに、各吸気機構の開度、ピストン１２の角度等の情報に基づいて、燃焼室１８の頂面の中心近傍を流れる気流の速度を算出する機能、並びに、第１点火栓２０及び第２点火栓２２が放電を開始するタイミングを制御し、遅れ時間Ｔ１を気流の速度に応じて調整する機能等を有する。

【0058】

＜第２の実施形態＞
次に、図１１を参照して、本発明の第２実施形態に係る点火装置１０を説明する。第２実施形態に係る点火装置１０は、第２点火栓２２と電気的に接続されているイオン電流検出回路５０を更に備える。図１１は、第２実施形態に係る点火装置１０が備えるイオン電流検出回路５０の構成の一例を示す。イオン電流検出回路５０は、第２点火栓２２の点火回路において、イグニッションコイル３８の２次コイル４２から、第２点火栓２２につながる回路と並列に設けられる。

【0059】

イオン電流検出回路５０は、例えば、スイッチ５２と電源５４と抵抗５６と電圧測定器５８から構成される。電圧測定器５８は、抵抗５６と並列に接続され、イオン電流検出回路５０に流れる電流を検出する。イオン電流検出回路５０は、上記の構成を有することにより、第２点火栓２２に予め付加した電気エネルギの変化から、第２点火栓２２の中心電極２８及び接地電極３０の間を流れるイオン電流を検出する。

【0060】

燃焼室１８において形成される初期火炎４４の火炎面には多くのイオンが存在するため、第１点火栓２０で形成された初期火炎４４が第２点火栓２２に到達すると、第２点火栓２２の中心電極２８及び接地電極３０間をイオン電流が流れることになる。イオン電流検出回路５０は、第２点火栓２２の電極間を流れるイオン電流を測定することにより、第１点火栓２０で形成された初期火炎４４の第２点火栓２２への到達を正確に検出することができる。

【0061】

第２実施形態に係る点火装置１０は、イオン電流検出回路５０が、第２点火栓の電極間を流れるイオン電流を測定することにより、第１点火栓２０で形成された初期火炎４４の第２点火栓２２への到達を検出した時点で、第２点火栓２２が放電を開始する。

【0062】

図１２は、第２実施形態に係る点火装置１０の実施態様の具体例を示す。図１２には、第１点火栓２０の放電電流、第２点火栓の放電電流、イオン電流検出回路５０による検出用電圧、及び、電圧測定器５８で測定される第２点火栓２２の電圧の経時変化が示されている。

【0063】

第２実施形態に係る点火装置１０において、予め決められた時点で第１点火栓２０が放電を開始し（ア）、初期火炎４４が形成される。その直後、第２点火栓２２と並列に接続されたイオン電流検出回路５０のスイッチ５２が入れられ（イ）、第２点火栓２２の電極間に電源５４で誘起した規定電圧を印加する。第１点火栓２０で形成された初期火炎４４が第２点火栓２２の電極間に到達するまでは、イオン電流検出回路５０に電流は流れない（ウ）。初期火炎４４が第２点火栓２２の電極間に到達すると、初期火炎４４に含まれる導電性のイオンや電子によってイオン電流検出回路５０に電流が流れる（エ）。イオン電流検出回路５０が初期火炎４４の第２点火栓２２への到達を検出したことを受けて、第２点火栓２２は放電を開始する。

【0064】

第２実施形態に係る点火装置１０は、初期火炎４４の第２点火栓２２への到達をイオン電流検出回路５０が検出した時点で第２点火栓２２が放電を開始する。このように、第２点火栓２２の放電開始のタイミングを適切に制御することによって、初期火炎４４が第２点火栓２２の近傍にあるときに、第２点火栓２２において高エネルギである放電直後の容量放電を発生させる。これにより、更に効率よく、第２点火栓２２から初期火炎４４にエネルギを付与することができ、失火の発生をより抑制できるとともに、初期火炎４４の成長を一層促進させることができると考えられる。

【0065】

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る点火装置１０を説明する。本発明の第３実施形態に係る点火装置１０において、第２点火栓２２は、第１点火栓２０が供給する放電エネルギよりも大きい放電エネルギを供給する。これにより、第３実施形態に係る点火装置１０では、初期火炎４４が周囲の未燃混合気に放出する熱量を上回るエネルギを、第２点火栓２２において初期火炎４４に付与することができるため、当該初期火炎４４の成長を促進し、燃焼をより一層安定化できると考えられる。

【0066】

第３実施形態に係る点火装置１０において、第１点火栓２０よりも大きい放電エネルギを第２点火栓２２が供給する場合の具体的な態様としては、例えば、第２点火栓２２の電極間を第１点火栓２０の電極間よりも広げて初期要求電圧を高くすることにより、第２点火栓２２の電極間に供給される電気エネルギを増大させる態様、及び、２次コイル４２を流れる２次電流を調整すること等により、第２点火栓２２に第１点火栓２０よりも大きい電気エネルギが供給されるように予め設定する態様等が挙げられる。

【0067】

また、第３実施形態に係る点火装置１０として、第２点火栓２２に対して燃焼室１８の内部を流れる気流の下流側に電磁場を印加する、電磁場印加手段６０を備える態様が挙げられる。図１３〜図１６のそれぞれは、第３実施形態に係る点火装置１０であって電磁場印加手段６０を備えるものの具体例を示す。なお図１３〜図１６では、簡略化のため第１点火栓２０を記載していない。

【0068】

電磁場印加手段６０としては、電界、磁界又はその両者（これらを「電磁場」と総称する）を、第２点火栓２２の下流側に印加する機能を有する装置又は部材であれば、特に制限されない。第２点火栓２２で形成された放電路３２は、上述の通り、気流によって下流側に流されてＵ字型に伸長する。第２点火栓２２の下流側に電磁場が存在する場合、Ｕ字型の放電路３２は電磁場の作用によって更に伸長する。放電路３２が伸長するにつれて放電路３２の抵抗値が上昇し、電極間の放電に要するエネルギが増大するため、第２点火栓２２が供給する放電エネルギが増大し、初期火炎４４の成長が更に促進されると考えられる。

【0069】

図１３に、電磁場印加手段６０の第１の具体例を示す。図１３に示す電磁場印加手段６０は、一対の電極６２ａ及び６２ｂと、絶縁体６４と、電源６６とを備える。一対の電極６２ａ及び６２ｂは、シリンダヘッド１６に設けられており、第２点火栓２２の下流側において、伸長する放電路３２を挟むように対向して配置されている。電極６２ａはシリンダヘッド１６に直接設けられて電気的に接している一方、電源６６と接続されている電極６２ｂは、絶縁体６４を介してシリンダヘッド１６上に設けられており、シリンダヘッド１６と電気的に接していない。

【0070】

図１３に示す電磁場印加手段６０は、上記の構成により、第２点火栓２２の下流側に広域の電界を形成することができる。第２点火栓２２により形成され、気流によって伸長した放電路３２を電界の作用で更に伸ばすことにより、第２点火栓２２が供給する放電エネルギを増大させ、初期火炎４４の成長を更に促進させることができる。

【0071】

図１４に、電磁場印加手段６０の第２の具体例を示す。図１４に示す電磁場印加手段６０は、１つの電極６２と、絶縁体６４と、電源６６と、ピストン１２の頂面とで構成されている。電極６２は、絶縁体６４を介してシリンダヘッド１６に設けられ、電源６６に接続されている。また、電極６２は、第２点火栓２２の下流側において、ピストン１２の頂面と対向するように配置されている。図１４に示す電磁場印加手段６０においては、ピストン１２は電気伝導体で形成され、ピストン１２の頂面が接地側電極として用いられる。

【0072】

図１４に示す電磁場印加手段６０は、上記の構成により、第２点火栓２２の下流側に広域の電界を形成することができる。第２点火栓２２により形成され、気流によって伸長した放電路３２を電界の作用で更に伸ばすことにより、第２点火栓２２が供給する放電エネルギを増大させ、初期火炎４４の成長を更に促進させることができる。

【0073】

図１５に、電磁場印加手段６０の第３の具体例を示す。図１５に示す電磁場印加手段６０は、電源６６と、コイル６８と、スイッチ（図示しない）とを備える。コイル６８は、シリンダヘッド１６に設けられ、第２点火栓２２の下流側において、コイル６８の中心軸と気流の流れる方向とが略同じになるように配置されている。コイル６８は電源６６と接続しており、スイッチの操作により流れる電流によって磁界（磁束）が形成される。

【0074】

図１５に示す電磁場印加手段６０は、上記の構成により第２点火栓２２の下流側に磁界を形成することができる。気流によって伸長した放電路３２を磁界の作用で更に伸ばすことにより、第２点火栓２２が供給する放電エネルギを増大させ、初期火炎４４の成長を更に促進させることができる。

【0075】

図１６に、電磁場印加手段６０の第４の具体例を示す。図１６に示す電磁場印加手段６０は、永久磁石７０を備える。永久磁石７０は、第２点火栓２２の接地電極３０に設けられ、永久磁石７０が形成する磁束の向きと気流の流れる方向とが略同じになるように配置されている。この場合、第２点火栓２２の接地電極３０は磁性体で構成されている。

【0076】

図１６に示す電磁場印加手段６０は、上記の構成により第２点火栓２２の下流側に磁界を形成することができる。気流によって伸長した放電路３２を磁界の作用で更に伸ばすことにより、第２点火栓２２が供給する放電エネルギを増大させ、初期火炎４４の成長を更に促進させることができる。

【符号の説明】

【0077】

１０ 点火装置、１２ ピストン、１４ シリンダ、１６ シリンダヘッド、１８ 燃焼室、２０ 第１点火栓、２２ 第２点火栓、２４ 点火栓、２６ 点火栓本体、２８ 中心電極、３０ 接地電極、３２ 放電路、３４，５４，６６ 電源、３６ イグナイタ、３８ イグニッションコイル、４０ １次コイル、４２ ２次コイル、４４ 初期火炎、５０ イオン電流検出回路、５２ スイッチ、５６ 抵抗、５８ 電圧測定器、６０ 電磁場印加手段、６２，６２ａ，６２ｂ 電極、６４ 絶縁体、６８ コイル、７０ 永久磁石。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】