特許 6554381 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】6554381

(24)【登録日】2019年7月12日

(45)【発行日】2019年7月31日

(54)【発明の名称】点火装置

(51)【国際特許分類】

   F02P 3/01 20060101AFI20190722BHJP

   H01F 38/12 20060101ALI20190722BHJP

   F02P 9/00 20060101ALI20190722BHJP

【ＦＩ】

   F02P3/01 B

   H01F38/12 L

   F02P9/00 302A

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-198634(P2015-198634)

(22)【出願日】2015年10月6日

(65)【公開番号】特開2017-72045(P2017-72045A)

(43)【公開日】2017年4月13日

【審査請求日】2018年8月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100121821

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 強

(74)【代理人】

【識別番号】100139480

【弁理士】

【氏名又は名称】日野 京子

(74)【代理人】

【識別番号】100125575

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100175134

【弁理士】

【氏名又は名称】北 裕介

(72)【発明者】

【氏名】木下 翔太

(72)【発明者】

【氏名】岡部 伸一

(72)【発明者】

【氏名】青木 文明

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 明光

【審査官】 篠原 将之

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−０６６２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−０１３２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１２１４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２３２１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１８５５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２１１１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１６４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１８１０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４７１４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−００１７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１０９８８６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０１６７６２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１３９５０４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｐ ３／０１

Ｆ０２Ｐ ９／００

Ｈ０１Ｆ ３８／１２

ＤＷＰＩ（Ｄｅｒｗｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の燃焼室内の可燃混合気に点火するためのプラズマ放電を一対の放電電極（１６１，１６３）の間にて発生させる点火プラグ（１６）と、
一次コイル（１８Ａ）及び二次コイル（１８Ｂ）を具備し、前記二次コイルにより前記点火プラグの前記一対の放電電極の間に電圧を印加する点火コイル（１８）と、
前記点火プラグ及び前記二次コイルを含む回路に電圧共振を生じさせる周波数の交流電圧を、前記一次コイルに印加する交流電圧印加部（２０）と、
を備え、
前記交流電圧印加部は、
前記内燃機関の空燃比が閾値よりも低い場合に、前記交流電圧の出力時間を、前記一対の放電電極の間における放電で、部分破壊に至る第一時間よりも長く、全路破壊に至る第二時間よりも短く設定することを特徴とする点火装置。

【請求項2】

前記閾値は第一閾値であり、
前記交流電圧印加部は、前記内燃機関の空燃比が、前記第一閾値よりも低く且つ第二閾値よりも高い場合に、一回の燃焼サイクル中に前記設定された出力時間の交流電圧の出力を複数回行うことを特徴とする請求項１に記載の点火装置。

【請求項3】

前記交流電圧印加部は、前記内燃機関の空燃比が前記閾値よりも高い場合に、前記出力時間を前記第二時間よりも長く設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の点火装置。

【請求項4】

前記交流電圧印加部は、前記内燃機関の回転速度が高くなるほど、前記出力時間を短く設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の点火装置。

【請求項5】

前記交流電圧印加部は、前記内燃機関の負荷が高くなるほど、前記出力時間を長く設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の点火装置。

【請求項6】

前記二次コイルに高電圧を印加する高電圧電源（５０）を備え、
前記内燃機関の空燃比が前記閾値よりも高い場合に、前記高電圧電源から前記高電圧を出力させて、前記一対の放電電極の間における放電で全路破壊に至らせ、
前記交流電圧印加部は、前記高電圧の出力による全路破壊中に、前記交流電圧を前記一次コイルに印加することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の点火装置。

【請求項7】

前記交流電圧は、前記部分破壊に至ることが可能であり且つ前記全路破壊に至ることが不可能なように設定されている、又は前記第二時間が前記内燃機関の燃焼行程における点火時間よりも長くなるように設定されていることを特徴とする請求項６に記載の点火装置。

【請求項8】

前記一対の放電電極の間における放電で前記部分破壊に至った状態では、ストリーマ放電が形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の点火装置。

【請求項9】

前記電圧共振の周波数は略８００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の点火装置。

【請求項10】

前記第二時間は２０μｓであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の点火装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンの点火装置に関する。

【背景技術】

【0002】

エンジンの点火装置は、電源に接続された一次コイルに一次電流を通電して点火コイルに磁気エネルギを蓄える。そして、一次電流を遮断した際に二次コイルに発生した二次電流を点火プラグの中心電極と接地電極との間のギャップに流すことで、点火プラグのギャップ間に火花放電を生じさせている。この火花放電の経路にダイオードを介して高周波電流を流しこむことで高エネルギの火花放電、かつ通常よりも広範囲に広がる放電プラズマを形成するものがある。

【0003】

このような点火装置では、放電プラズマが広範囲に広げるために大電流を流すため、電極の消耗が著しく早くなるという課題があった。この対策として、特許文献１では、電極の金属が溶融する温度に達する前に放電を切り、再度電流を流すというプロセスを複数回繰り返すことで、電極の消耗を低減させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−２１１１４８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では、既述のように電極の金属が溶融する温度に達する前に放電を切り、再度電流を流すというプロセスを複数回繰り返すことで、電極の消耗を抑えているが、この電極の消耗について未だ改善の余地がある。

【0006】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、点火プラグが備える電極の消耗をより低減することが可能な点火装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、点火装置であって、内燃機関の燃焼室内の可燃混合気に点火するためのプラズマ放電を一対の放電電極にて発生させる点火プラグと、一次コイル及び二次コイルを具備し、前記二次コイルにより前記点火プラグの前記一対の放電電極の間に電圧を印加する点火コイルと、前記点火プラグ及び前記二次コイルを含む回路に電圧共振を生じさせる周波数の交流電圧を、前記一次コイルに印加する交流電圧印加部と、を備え、前記交流電圧印加部は、前記内燃機関の空燃比が閾値よりも低い場合に、前記交流電圧の出力時間を、前記一対の放電電極の間における放電で、部分破壊に至る第一時間よりも長く、全路破壊に至る第二時間よりも短く設定することを特徴とする。

【0008】

従来構成では、点火信号がスイッチング素子に送信され、受信した点火信号に基づいて、スイッチング素子が制御される。この制御により一次コイルへ流れる一次電流の切断が行われ、二次コイル側に高電圧が誘起され、点火プラグに火花放電が生じる。この火花放電の経路にダイオードを介して高周波電流を流しこむことで、通常の火花放電よりも広範囲に拡がる放電プラズマが形成される。このような点火装置では、放電プラズマが広範囲に広げるために大電流を流すため、点火プラグが備える電極の消耗が早くなるおそれがある。

【0009】

この電極の消耗を抑制しつつ燃料の着火性を確保するために、本点火装置には、交流電圧印加部が備わっている。この交流電圧印加部により点火プラグ及び二次コイルを含む回路に電圧共振を生じさせる周波数の交流電圧が、一次コイルに印加される。このとき、内燃機関の空燃比が閾値よりも低いリッチ側であった場合には、繊維状のストリーマ放電で燃料を燃焼可能である。このため、交流電圧の出力時間が、放電電極における放電で、部分破壊に至る（ストリーマ放電が生じる）第一時間よりも長く、全路破壊に至る（グローないしアーク放電が生じる）第二時間よりも短く設定される。これにより、ストリーマ放電により燃料の燃焼が可能な空燃比では、ストリーマ放電での燃料の燃焼を試みる。

【0010】

ストリーマ放電は、非平衡プラズマである。したがって、プラズマに含まれる電子の温度は高いが、プラズマ内に含まれる燃料ガスのイオン温度は低い。これが例えば、アーク放電のような平衡プラズマである場合、プラズマ内に含まれる燃料ガスのイオン温度もまた、プラズマを成す電子の温度と同じ程度に高温となり、点火プラグの放電電極が高温にさらされることで消耗するおそれがある。このため、内燃機関の空燃比が閾値よりも低いリッチ側であった場合にはストリーマ放電により燃料の燃焼を実施することで、点火プラグの放電電極を高温にさらす頻度を低減することができ、ひいては電極の消耗を抑制する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態に係る点火制御システムの概略構成図である。

【図2】本実施形態に係る信号生成部の概略構成図である。

【図3】沿面ストリーマ放電と沿面アーク放電との違いを示す図である。

【図4】放電の種類が異なることで、燃料を燃焼可能な空燃比に違いがあることを示した図である。

【図5】本実施形態に係る放電制御の処理手順を示すフローチャートである。

【図6】燃料を燃焼させるために必要な放電期間に対して、内燃機関の回転速度及び内燃機関の負荷が与える影響を示した図である。

【図7】燃料を燃焼させるために必要な放電期間に対して、内燃機関の回転速度及び内燃機関の負荷が与える影響を示した図である。

【図8】本実施形態に係る点火制御システムの動作を示すタイミングチャートである。

【図9】本実施形態に係る放電制御により得られる効果を示した図である。

【図10】別例に係る点火制御システムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示す点火制御システム１０には、点火コイル１８と、点火プラグ１６と、高周波電源部２０と、電源供給部１１とが設けられている。点火コイル１８は、一次コイル１８Ａ、二次コイル１８Ｂ及び鉄心１８Ｃを備えている。一次コイル１８Ａの第一端は、高周波電源部２０の出力端子に接続されており、高周波電源部２０では、電源供給部１１より出力された電圧を、一次コイル１８Ａに印加するための交流電圧に変換している。一方で、二次コイル１８Ｂの第一端は、点火プラグ１６の入力端子に接続されている。二次コイル１８Ｂの第二端は、グランド電位に接地されている。即ち、二次コイル１８Ｂは点火プラグ１６に接続され、当該点火プラグ１６は、二次コイル１８Ｂから高電圧が印加されることとなる。

【0013】

高周波電源部（交流電圧印加部に該当）２０は、電源分圧部２１と、信号生成部３０と、スイッチング部４０とを備えている。電源分圧部２１は、抵抗体２２，２３の直列接続体とコンデンサ２４，２５の直列接続体とを備えている。抵抗体２２と抵抗体２３を接続する経路とコンデンサ２４とコンデンサ２５とを接続する経路とは、一次コイル１８Ａの第二端と同電位とする経路で接続されている。また、抵抗体２２及びコンデンサ２４の一端に電源供給部１１から電圧Ｖが印加され、抵抗体２３及びコンデンサ２５の一端はグランドに接地している。

【0014】

信号生成部３０について、図２により詳細な構成が記載されている。信号生成部３０は、放電状態制御部３１と発振器３５と駆動信号生成部３６とを含む。

【0015】

発振器３５と駆動信号生成部３６とは接続されている。発振器３５は、ＨレベルとＬレベルとに変化する矩形波の電圧信号を生成する。本実施形態では、交流電圧の周波数を点火プラグ１６及び二次コイル１８Ｂを含む回路に電圧共振を生じさせる周波数（共振周波数）となるように電圧信号が生成される。より具体的には、電圧共振を生じさせるために周波数が略８００ｋＨｚとなるように電圧信号が生成される。そして、駆動信号生成部３６が備えるＨドライブ信号生成部３７ａに電圧信号を送信し、それと同時にｎｏｔ回路を介してＬドライブ信号生成部３７ｂに電圧信号を送信する。このＨドライブ信号生成部３７ａで生成されたドライブ信号Ｈは第一ＡＮＤ回路３８ａに出力され、Ｌドライブ信号生成部３７ｂで生成されたドライブ信号Ｌは第二ＡＮＤ回路３８ｂに出力される。これら第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂには、上記ドライブ信号の他に点火信号ＩＧｔが送信される。

【0016】

放電状態制御部３１からの信号が第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂに入力されない構成であったとすると、第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂは点火信号ＩＧｔを受信することで、ドライブ回路４３にドライブ信号Ｈ，Ｌを送信する。そして、ドライブ回路４３は、受信したドライブ信号Ｈ，Ｌに基づいて、それぞれ第一スイッチング素子４１及び第二スイッチング素子４２を制御する。この制御により、例えば、第一スイッチング素子４１がオンに制御され、第二スイッチング素子４２がオフに制御される場合には、電源供給部１１から＋Ｖ電圧（正電圧）が一次コイル１８Ａに印加される。一方で、第一スイッチング素子４１がオフに制御され、第二スイッチング素子４２がオンに制御される場合には、コンデンサ２５により−Ｖ電圧（負電圧）が一次コイル１８Ａに印加される。したがって、第一スイッチング素子４１及び第二スイッチング素子４２のオン／オフの切替により、一次コイル１８Ａに正電圧と負電圧が交互に印加されることになる。つまり、一次コイル１８Ａに交流電圧が印加される。

【0017】

本実施形態では、交流電圧の周波数を略８００ｋＨｚの共振周波数に設定してあるため、一次コイル１８Ａに高周波の交流電圧を印加することで、点火プラグ１６に高エネルギの火花放電、かつ通常よりも広範囲に広がる放電プラズマが形成される。

【0018】

本実施形態では、電極の消耗の抑制効果をより高くするため、信号生成部３０に放電状態制御部３１を追加している。放電状態制御部３１は、点火プラグ１６で生じる放電を制御するためのものであり、沿面ストリーマ放電又は沿面アーク放電を任意に発生させる。この放電状態制御部３１について、詳細な説明は後述する。

【0019】

点火プラグ１６について、図３を用いて概略構成を説明する。点火プラグ１６は、中心電極１６１と、碍子１６２（絶縁体）と、接地電極１６３と、ハウジング１６４とを備える。碍子１６２は、中心電極１６１の外周を覆い、中心電極１６１とハウジング１６４及び接地電極１６３との電気絶縁性を確保している。碍子１６２の基端側は、ハウジング１６４によって加締め固定されている。そして、ハウジング１６４から露出する碍子１６２と接地電極１６３との間に放電するための空間（放電空間）が区画され、その放電空間内で沿面ストリーマ放電が生じる。

【0020】

沿面ストリーマ放電は、図３下図に記載されるように、二次電圧が１０ｋＶを超えたあたりから、放電空間内において、接地電極１６３の表面から碍子１６２に沿って中心電極１６１に向かって伸びるように発生する（部分破壊）。この沿面ストリーマ放電を継続して実行すると、放電が碍子１６２の表面を這うように伸び、放電の一部が中心電極１６１の先端に到達する（全路破壊）。放電が全路破壊に至ると、接地電極１６３と中心電極１６１との間に沿面アーク放電が形成される。

【0021】

本願発明者らは、空燃比がリッチ側であれば沿面ストリーマ放電での燃焼が可能であることを見出した。この沿面ストリーマ放電は、非平衡プラズマである。したがって、プラズマを成す電子の温度は高いが、プラズマ内に含まれる燃料ガスのイオン温度は低い。このため、内燃機関の空燃比が閾値よりも低いリッチ側であった場合にはストリーマ放電により燃料の燃焼を実施することで、点火プラグ１６の放電電極を高温にさらす頻度を低減することができ、ひいては電極の消耗を抑制する事ができる。

【0022】

また本願発明者らは、図４に示すように、沿面ストリーマ放電を単発で実行する場合と沿面ストリーマ放電を複数回実行する場合と沿面アーク放電を実行する場合とで、安定して燃焼可能な空燃比の範囲が異なることを見出した。具体的には、沿面ストリーマ放電を単発で実行する場合と比較して、沿面ストリーマ放電を複数回実行する場合は、空燃比がよりリーン側であっても安定して燃料を燃焼可能である。そして、沿面ストリーマ放電を複数回実行する場合と比較して、沿面アーク放電を実行する場合は、空燃比がよりリーン側であっても安定して燃料を燃焼可能である。よって、沿面ストリーマ放電を複数回実行する場合に安定して燃料を燃焼可能な空燃比の上限値を第一閾値として設定し、沿面ストリーマ放電を単発で実行する場合に安定して燃料を燃焼可能な空燃比の上限値を第二閾値として設定する。これにより、実際の空燃比と第一閾値及び第二閾値との比較に基づいて、適した放電形態を選択することが可能となる。

【0023】

以上を踏まえ、図２に示すように、放電状態制御部３１は、タイマ信号生成部３２と、ストリーマ放電制御信号生成部３３と、放電状態制御信号生成部３４とを含む。

【0024】

ストリーマ放電制御信号生成部３３は、沿面ストリーマ放電を継続して生じさせ全路破壊に至ることのないように、沿面ストリーマ放電の放電時間を制御するためのものである。具体的には、交流電圧の出力時間が、放電電極における放電で、部分破壊に至る（ストリーマ放電が生じる）第一時間よりも長く、全路破壊に至る（アーク放電が生じる）第二時間よりも短く設定される。本実施形態では、第二時間は２０μｓｅｃとして設定する。

【0025】

このため、ストリーマ放電制御信号生成部３３は、第一時間よりも長く、第二時間よりも短い期間ハイ信号を出力し、第二時間を経過すると、放電が全路破壊に至るおそれがあるとして、ロー信号を出力する。なお、ロー信号を出力する期間は、再度第一時間よりも長く第二時間よりも短い期間でハイ信号を出力しても、点火プラグ１６で生じる放電が全路破壊に至らない程度に二次電圧が減少する期間として設定される。

【0026】

タイマ信号生成部３２は、混合気の空燃比に応じて、沿面ストリーマ放電をどれくらいの期間生じさせるか（沿面ストリーマ放電を単発で実行するのか、複数回実行するのか）を定めるためのものである。したがって、タイマ信号生成部３２は、沿面ストリーマ放電を実行する期間はハイ信号を出力し、沿面ストリーマ放電を実行しない期間はロー信号を出力する。

【0027】

タイマ信号生成部３２とストリーマ放電制御信号生成部３３とから出力される信号はそれぞれ第三ＡＮＤ回路３８ｃに入力され、そして入力された信号に基づいて第三ＡＮＤ回路３８ｃはＯＲ回路３９に信号を出力する。

【0028】

一方で、放電状態制御信号生成部３４は、沿面アーク放電を実行すべきか沿面ストリーマ放電を実行すべきか混合気の空燃比に基づいて判断する。そして、空燃比がリーン側であり沿面アーク放電が適している場合にはハイ信号を、空燃比がリッチ側であり沿面ストリーマ放電が適している場合にはロー信号をＯＲ回路３９に出力する。

【0029】

ＯＲ回路３９に入力された信号の内、放電状態制御信号生成部３４により入力された信号がロー信号であり、沿面ストリーマ放電の実行を指示していた場合を想定する。この場合、図８に記載されるように、タイマ信号生成部３２及びストリーマ放電制御信号生成部３３の信号が、第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂに送信される。第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂは、点火信号ＩＧｔとドライブ信号Ｈ，ＬとＯＲ回路３９から入力された信号とを受信することで、これらの受信した信号の論理積をドライブ回路４３に送信する。ドライブ回路４３は、受信したタイマ信号生成部３２及びストリーマ放電制御信号生成部３３の信号に基づいて、第一スイッチング素子４１及び第二スイッチング素子４２を制御し、一次コイル１８Ａへの交流電圧の印加時間及び印加期間を制御する。より詳細には、タイマ信号生成部３２が一次コイル１８Ａへの交流電圧の印加期間を定め、その期間内で、ストリーマ放電制御信号生成部３３は、放電が部分破壊に至り且つ全路破壊に至らないように、一次コイル１８Ａへの交流電圧の印加時間を定める。したがって、放電状態制御部３１が信号生成部３０に備わることで、点火プラグ１６の放電状態（沿面ストリーマ放電と沿面アーク放電）を任意に制御できるようになる。

【0030】

一方で、ＯＲ回路３９に入力された信号の内、放電状態制御信号生成部３４により入力された信号がハイ信号であり、沿面アーク放電の実行を指示していた場合を想定する。この場合、ＯＲ回路３９に入力された放電状態制御信号生成部３４の信号がハイ信号であることを受けて、ＯＲ回路３９はハイ信号を、第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂに送信する。したがって、沿面ストリーマ放電と異なり、一次コイル１８Ａに印加される交流電圧の印加時間は制限されないため、点火プラグ１６で生じる放電は全路破壊に至り、沿面アーク放電が生じる。

【0031】

本実施形態では、信号生成部３０により後述する図５に記載の放電制御を実行する。図５に示す放電制御は、信号生成部３０が電源オンしている期間中に信号生成部３０によって所定周期で繰り返し実行される。

【0032】

まずステップＳ１００にて、第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂは、点火信号ＩＧｔを外部より受信したか否かを判定する。外部より点火信号ＩＧｔを受信していない場合には（Ｓ１００：ＮＯ）、点火プラグ１６に火花放電を生じさせる必要はないとして、そのまま本制御を終了する。外部より点火信号ＩＧｔを受信した場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、点火プラグ１６に火花放電を生じさせる必要があるとして、ステップＳ１１０に進む。

【0033】

ステップＳ１１０では、放電状態制御信号生成部３４が現在の車両の運転状態に関する情報を外部より受信する。本実施形態における運転状態とは、アクセル操作量などに基づく内燃機関の負荷や、内燃機関の出力軸の回転速度などが該当する。内燃機関の負荷が大きくなると、気筒内の圧力（筒内圧）が高くなり、点火プラグ１６に放電を生じさせることが難しくなる。また、内燃機関の回転速度が高いと、気流によって放電が伸長しやすいため短時間の放電でも着火させやすい。

【0034】

したがって、内燃機関の負荷及び内燃機関の回転速度の大きさ次第で、沿面ストリーマ放電で安定に燃焼可能な空燃比は変化する。よって、ステップＳ１２０にて、放電状態制御信号生成部３４は第一閾値を、ステップＳ１１０で検出した運転状態に基づいて設定する。例えば、内燃機関の負荷が低い、または内燃機関の回転速度が高い場合には、第一閾値をより高く、リーン側に設定する。

【0035】

ステップＳ１３０では、放電状態制御信号生成部３４が排気触媒上流側に配設した空燃比センサなどにより混合気の実際の空燃比（実空燃比）を検出させる。

【0036】

ステップＳ１４０では、放電状態制御信号生成部３４は実空燃比が第一閾値よりも大きいか否かを判定する。実空燃比が第一閾値以下であると判定された場合には（Ｓ１４０：ＮＯ）、沿面ストリーマ放電で燃料を燃焼可能であるとして、ステップＳ１５０に進む。

【0037】

ステップＳ１５０では、タイマ信号生成部３２が運転状態に基づいて第二閾値を設定する。この第二閾値もまた、第一閾値と同様に内燃機関の負荷及び内燃機関の回転速度の大きさ次第で変化する可変値である。第二閾値は、第１閾値よりも小さく設定される。

【0038】

ステップＳ１６０にて、タイマ信号生成部３２は実空燃比が第二閾値よりも大きいか否かを判定する。実空燃比が第二閾値以下であると判定された場合には（Ｓ１６０：ＮＯ）、沿面ストリーマ放電を一回生じさせるだけで燃料を燃焼可能であるとして、ステップＳ１７０に進む。ステップＳ１７０では、タイマ信号生成部３２がストリーマ放電を一回放電するよう放電期間を設定し、点火プラグ１６に沿面ストリーマ放電を生じさせ、本制御を終了する。

【0039】

実空燃比が第二閾値よりも大きいと判定された場合には（Ｓ１６０：ＹＥＳ）、沿面ストリーマ放電を複数回生じさせることで燃料を燃焼可能であるとして、ステップＳ１８０に進む。ステップＳ１８０では、タイマ信号生成部３２がストリーマ放電を複数回放電するよう放電期間を設定し、点火プラグ１６に沿面ストリーマ放電を生じさせ、本制御を終了する。沿面ストリーマ放電の放電期間について、図６に記載されているように、内燃機関の負荷が大きく内燃機関の回転速度が低いほど、燃料の燃焼に必要な放電期間（回数）は長く（多く）設定される。また、空燃比が高くなり、リーン側になるほど、燃料の燃焼が困難となるため、それだけ放電期間が長く設定される。

【0040】

実空燃比が第一閾値よりも大きいと判定された場合には（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、沿面アーク放電により燃料を燃焼させる必要があるとして、ステップＳ１９０に進む。ステップＳ１９０では、放電状態制御信号生成部３４が、点火プラグ１６に沿面ストリーマ放電を継続して生じさせることで、全路破壊に至らせ、沿面アーク放電を生じさせる。そして、本制御を終了する。沿面アーク放電の放電期間について、図７に記載されるように、沿面ストリーマ放電と同様の傾向が観察されている。つまり、内燃機関の負荷が大きく内燃機関の回転速度が低いほど、燃料の燃焼に必要な放電期間は長く設定される。また、空燃比が高くなり、リーン側になるほど、燃料の燃焼が困難となるため、それだけ放電期間が長く設定される。

【0041】

次に、図８を参照して、本実施形態にかかる放電制御の態様を説明する。

【0042】

発振器３５がＨドライブ信号生成部３７ａ及びＬドライブ信号生成部３７ｂを介すことにより、ドライブ信号Ｈ，Ｌが常時第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂに対して送信される。また、点火信号ＩＧｔもまた外部より第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂに送信される。

【0043】

その一方で、内燃機関の運転状態に基づいて、第一閾値が放電状態制御信号生成部３４により設定される。実空燃比が第一閾値以下である場合には、沿面ストリーマ放電による燃料の燃焼が可能であるとして、放電状態制御信号生成部３４によりロー信号がＯＲ回路３９に対して出力される。

【0044】

沿面ストリーマ放電が全路破壊に至り、沿面アーク放電に進展しないようにストリーマ放電制御信号生成部３３によりハイ／ロー信号で一次コイル１８Ａへの電圧印加時間が制御される。

【0045】

タイマ信号生成部３２により、ハイ／ロー信号で沿面ストリーマ放電を繰り返し実施する期間が制御される。これらタイマ信号生成部３２及びストリーマ放電制御信号生成部３３の信号の論理積は、ＯＲ回路３９に出力される。ＯＲ回路３９は、この論理積と放電状態制御信号生成部３４のロー信号の論理和を、第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂに対して出力する。

【0046】

第一ＡＮＤ回路３８ａ及び第二ＡＮＤ回路３８ｂにドライブ信号Ｈ，Ｌと、点火信号ＩＧｔと、ＯＲ回路３９からの出力が入力されることで、これらの信号の論理積がドライブ回路４３に送信される。入力された信号に基づいて、ドライブ回路４３により第一スイッチング素子４１及び第二スイッチング素子４２が制御され、一次コイル１８Ａに交流電圧が印加され、点火プラグ１６に沿面ストリーマ放電を生じさせる。

【0047】

このとき、図８では、タイマ信号生成部３２により定められた放電期間よりも短い期間で、沿面ストリーマ放電が終了している（時間ｔ１参照）。これは、これ以上沿面ストリーマ放電を継続すると沿面アーク放電に進展するおそれがあるとして、ストリーマ放電制御信号生成部３３により点火コイル１８への電圧印加が終了させられたためである。

【0048】

図８では、実空燃比が第二閾値以下である場合を想定しているため、時間ｔ１以降においてストリーマ放電が生じていない。ここで、仮に、実空燃比が第二閾値よりも高く第一閾値以下である場合を想定する。この場合、タイマ信号生成部３２により定められる放電期間は、ストリーマ放電制御信号生成部３３により再びハイ信号が送信される時期（時間ｔ２参照）よりも長く設定され、二回目の沿面ストリーマ放電が実施されることになる。

【0049】

上記構成により、本実施形態は、以下の効果を奏する。

【0050】

・内燃機関の空燃比が第一閾値以下であった場合には、繊維状の沿面ストリーマ放電で燃料を燃焼可能である。したがって、沿面ストリーマ放電により燃料の燃焼が可能な空燃比では、沿面ストリーマ放電での燃料の燃焼を試みる。このとき、沿面ストリーマ放電は、非平衡プラズマである。したがって、内燃機関の空燃比が第一閾値以下であった場合には沿面ストリーマ放電により燃料の燃焼を実施することで、点火プラグ１６の放電電極を高温にさらす頻度を低減することができ、ひいては放電電極の消耗を抑制する事ができる。図９には、実際にどれだけ放電電極の消耗を抑制できたか、その効果が示されている。図９上図には、放電電極の消耗試験を実施する上で、運転条件をどのように設定したかが示されている。日常で使用されることが多い運転領域（モード域）では、空燃比は第一閾値よりも高くリーン側に設定できる場合が多く、また内燃機関の回転速度及び内燃機関の負荷が低いことから、沿面アーク放電が実施される。一方で、急加速が必要になる場面などでは、空燃比が第一閾値以下に設定する必要がある場合が多いため、沿面ストリーマ放電を実行する。以上を考慮し、沿面アーク放電期間と沿面ストリーマ放電期間を８：２とした場合の放電電極の消耗試験を実施した。この場合、図９下図に記載されるように、沿面アーク放電のみで燃料を燃焼する場合と比較して、沿面アーク放電と沿面ストリーマ放電とを切替えて燃料を燃焼した場合の方が点火プラグ１６の電極寿命は１．２５倍延びたことが示された。

【0051】

・実空燃比が第二閾値以下である場合には、沿面ストリーマ放電を一度生じさせることで安定して燃料を燃焼させることが可能である。しかし、実空燃比が第二閾値よりも高く第一閾値以下である場合には、沿面ストリーマ放電を一度生じさせるだけでは燃料を燃焼できないおそれがある。このため、タイマ信号生成部３２により１回の燃焼サイクル中における放電期間が長く設定され、これにより沿面ストリーマ放電が複数回実施される。したがって、一回の沿面ストリーマ放電を生じさせるだけでは燃料を燃焼できないおそれがある空燃比においては、沿面ストリーマ放電を複数回生じさせることで、より確実に燃料を燃焼させることが出来る。

【0052】

・実空燃比が第一閾値よりも高くリーン側である場合には、放電状態制御信号生成部３４によりハイ信号がＯＲ回路３９に出力されることで、放電が全路破壊に至らせ沿面アーク放電を生じさせる。これにより、実空燃比がリーン側であっても、沿面アーク放電による燃料の燃焼を試みることで着火性を確保することが可能となる。

【0053】

・内燃機関の回転速度が高いほど、気筒内の乱流速度が上昇し燃焼速度が向上する。したがって、燃焼期間自体が短時間であるため、交流放電の出力時間を短くしても着火性を確保することができ、ひいては電極の消耗をより抑制することが出来る。

【0054】

・内燃機関の負荷が高くなるほど、気筒内の圧力が高くなり、放電が難しい環境となる。したがって、出力時間を長く設定することで、放電を確実に実施させ、着火性を確保することが可能となる。

【0055】

上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。

【0056】

・上記実施形態では、発振器３５により交流電圧の周波数が略８００ｋＨｚとなるように電圧信号を生成していた。このことについて、８００ｋＨｚに限らない。二次コイル１８Ｂのインダクタンスや点火プラグ１６の浮遊容量の大きさなどが変化することで共振周波数もまた変化する為、共振周波数の変化に応じて交流電圧の周波数を調整する。

【0057】

・上記実施形態では、第二時間を２０μｓｅｃとして設定していた。このことについて、第二時間は２０μｓｅｃに限らない。例えば、一次コイル１８Ａに印加される交流電圧の大きさが変化すれば、放電が全路破壊に至るまでの時間として設定される第二時間もまた変化する。

【0058】

・上記実施形態では、運転状態を内燃機関の回転速度及び内燃機関の負荷としていた。このことについて、更に、気筒内に存在する気体の実効圧縮率やタンブル比（気筒内でピストンが一往復する間にタンブル流が回転する回数）を加えてもよい。圧縮率が大きいと気筒内の温度が上昇する為、燃料の燃焼がしやすく、この場合、第一閾値及び第二閾値をリーン側に設定することが可能となる。また、気筒内のタンブル比が大きいと、燃料と空気が良く混合され燃焼しやすくなる。したがって、この場合も、第一閾値及び第二閾値をリーン側に設定することが可能となる。このように、上記運転状態についても考慮することで、より内燃機関の運転状態に適した第一閾値及び第二閾値の設定が可能となる。

【0059】

・上記実施形態では、高周波電源部２０により出力された電圧が一次コイル１８Ａに印加されることで、点火プラグ１６に放電が生じていた。このことについて、図１０に記載されるように二次コイル１８Ｂと点火プラグ１６との間に別途、高電圧印加部（高電圧電源に該当）５０を設ける構成としてもよい。高電圧印加部５０は、第二電源部５１と第二点火コイル５２と第三スイッチング素子５３とを備えている。このため、点火コイル１８により生じる二次電流が高電圧印加部５０に流れないように点火プラグ１６と高電圧印加部５０との間に、ダイオードのような逆流防止素子６０を配設する。同様に、第二点火コイル５２にて生じる二次電流が点火コイル１８に流れないように、高電圧印加部５０と点火コイル１８との間に逆流防止素子６１を配設する。

【0060】

このような構成において、実空燃比がリーン側であるために沿面アーク放電を実行する場合を想定する。この場合は、まず高電圧印加部５０より生じた二次電圧を点火プラグ１６に印加することで、素早く放電を全路破壊に至らせ、その後高周波電源部２０により生じた二次電圧を点火プラグ１６に印加させる。これにより、沿面アーク放電を生じさせるための時間を短縮することが可能となり、ひいては燃料を燃焼させるまでの時間を短縮させることができる。

【0061】

また本別例について、高電圧印加部５０より一次コイル１８Ａに印加される交流電圧を、点火プラグ１６で生じる放電が部分破壊に至れるが全路破壊に至れない電圧に設定してもよい。または、放電が全路破壊に至るまでの時間として設定される第二時間が内燃機関の燃焼行程における点火時間よりも長くなるように設定してもよい。このような構成をとることで、実空燃比が第一閾値以下である場合には高周波電源部２０による放電制御、実空燃比が第一閾値よりも高い場合には高電圧印加部５０及び高周波電源部２０による放電制御、といったように簡易な条件設定で放電制御が可能となる。

【符号の説明】

【0062】

１６…点火プラグ、１８…点火コイル、１８Ａ…一次コイル、２０…高周波電源部、１６１…中心電極、１６３…接地電極。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】