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技術 点火装置

出願人 株式会社SOKEN株式会社デンソー
発明者 石田翔平竹田俊一
出願日 2015年8月19日 (5年4ヶ月経過) 出願番号 2015-162346
公開日 2017年2月23日 (3年10ヶ月経過) 公開番号 2017-040204
状態 特許登録済
技術分野 内燃機関の点火装置
主要キーワード 略三角波形 昇圧スイッチ エネルギー投入量 放電継続 アース接地 高湿度状態 低エミッション化 プラス極
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年2月23日)のものです。
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図面 (6)

課題

高湿度環境下において、燃焼変動の悪化を抑制することができる点火装置を提供する。

解決手段

点火装置1は、第1回路11、第2回路12、制御部13、および、湿度センサ50を備える。 第1回路11は、点火プラグ5に火花放電を開始させる。第2回路12は、第1回路11による通電方向とは逆の方向に1次コイル2に通電することで、2次コイル3の通電を第1回路11の動作で開始したのと同一方向に維持して、火花放電を継続させる。制御部13は、第1回路11および第2回路12の動作を制御する。湿度センサ50は、吸入空気湿度を検出する。制御部13は、吸入空気の湿度の増加に応じて、第1回路11による火花放電の開始時期を早めるとともに、第2回路12による点火プラグへのエネルギー投入量を増やす。 このため、高湿度による着火しにくさ、火炎広がりにくさを補うことができ、燃焼変動の悪化を抑制することができる。

概要

背景

近年、内燃機関では、低燃費化低エミッション化等を図る目的で、天候等の周囲の環境に応じた高度な内燃機関制御が求められている。
例えば、高湿度環境下においては、混合気は、熱容量増加により、着火しにくくなっており、着火しても火炎広がりにくい状態となっている。この結果、燃焼変動が悪化しやすくなっており、その対策が望まれている。

なお、特許文献1には、高湿度環境下において、空燃比を高めることでNOxを低減させる点火装置が記載されている。
しかし、この点火装置においては、高湿度によって着火しにくく、かつ、火炎が広がりにくい状態で、さらに空燃比を高めているため吹き消えの発生が懸念される構成となっている。

概要

高湿度環境下において、燃焼変動の悪化を抑制することができる点火装置を提供する。点火装置1は、第1回路11、第2回路12、制御部13、および、湿度センサ50を備える。 第1回路11は、点火プラグ5に火花放電を開始させる。第2回路12は、第1回路11による通電方向とは逆の方向に1次コイル2に通電することで、2次コイル3の通電を第1回路11の動作で開始したのと同一方向に維持して、火花放電を継続させる。制御部13は、第1回路11および第2回路12の動作を制御する。湿度センサ50は、吸入空気湿度を検出する。制御部13は、吸入空気の湿度の増加に応じて、第1回路11による火花放電の開始時期を早めるとともに、第2回路12による点火プラグへのエネルギー投入量を増やす。 このため、高湿度による着火しにくさ、火炎の広がりにくさを補うことができ、燃焼変動の悪化を抑制することができる。

目的

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高湿度環境下において、燃焼変動の悪化を抑制することができる点火装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

1次コイル(2)および2次コイル(3)を有する点火コイル(4)と、前記2次コイルに接続する点火プラグ(5)とを備え、前記1次コイルへの通電オンオフに伴う電磁誘導により前記点火プラグにエネルギー投入して火花放電を発生させる内燃機関用点火装置(1)において、前記1次コイルへの通電をオンオフすることで、前記点火プラグに火花放電を開始させる第1回路(11)と、この第1回路の動作によって開始した火花放電中に、前記第1回路による通電方向とは逆の方向に前記1次コイルのマイナス側から通電することで、前記2次コイルの通電を前記第1回路の動作で開始したのと同一方向に維持して前記点火プラグにエネルギーを投入し続け、火花放電を継続させる第2回路(12)と、前記第1回路および前記第2回路の動作を制御する制御部(13)と、内燃機関吸入される吸入空気湿度を検出する湿度検出部(50)とを備え、前記制御部は、前記吸入空気の湿度の増加に応じて、前記第1回路による火花放電の開始時期を早めるとともに、前記第2回路による前記点火プラグへのエネルギー投入量を増やすことを特徴とする点火装置。

請求項2

請求項1に記載の点火装置において、前記制御部は、前記第2回路の動作を制御して放電継続期間を伸ばすことで、前記エネルギー投入量を増やすことを特徴とする点火装置。

請求項3

請求項1または請求項2に記載の点火装置において、前記制御部は、前記第2回路の動作を制御して前記2次コイルへの通電量を増やすことで、前記エネルギー投入量を増やすことを特徴とする点火装置。

技術分野

0001

本発明は、内燃機関用点火装置に関する。

背景技術

0002

近年、内燃機関では、低燃費化低エミッション化等を図る目的で、天候等の周囲の環境に応じた高度な内燃機関制御が求められている。
例えば、高湿度環境下においては、混合気は、熱容量増加により、着火しにくくなっており、着火しても火炎広がりにくい状態となっている。この結果、燃焼変動が悪化しやすくなっており、その対策が望まれている。

0003

なお、特許文献1には、高湿度環境下において、空燃比を高めることでNOxを低減させる点火装置が記載されている。
しかし、この点火装置においては、高湿度によって着火しにくく、かつ、火炎が広がりにくい状態で、さらに空燃比を高めているため吹き消えの発生が懸念される構成となっている。

先行技術

0004

特開平06−272590号公報

発明が解決しようとする課題

0005

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高湿度環境下において、燃焼変動の悪化を抑制することができる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

0006

本発明の点火装置は、内燃機関用であり、1次コイルおよび2次コイルを有する点火コイルと、2次コイルに接続する点火プラグとを備え、1次コイルへの通電オンオフに伴う電磁誘導により点火プラグにエネルギー投入して火花放電を発生させる。
そして、点火装置は、以下の第1回路、第2回路、制御部、および、湿度検出部を備える。

0007

第1回路は、1次コイルへの通電をオンオフすることで、点火プラグに火花放電を開始させる。
第2回路は、第1回路の動作によって開始した火花放電中に、第1回路による通電方向とは逆の方向に1次コイルのマイナス側から通電することで、2次コイルの通電を第1回路の動作で開始したのと同一方向に維持して点火プラグにエネルギーを投入し続け、火花放電を継続させる。

0008

制御部は、第1回路および第2回路の動作を制御する。
湿度検出部は、内燃機関に吸入される吸入空気湿度を検出する。
そして、制御部は、吸入空気の湿度の増加に応じて、第1回路による火花放電の開始時期を早めるとともに、第2回路による点火プラグへのエネルギー投入量を増やす。

0009

これにより、第1回路による火花放電の開始時期を早めることで、着火が起こりやすくなり、第2回路による点火プラグへのエネルギー投入量を増やすことで、火炎が広がりやすくなる。
このため、高湿度による着火しにくさ、火炎の広がりにくさを補うことができる。
以上により、高湿度環境下において、燃焼変動の悪化を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0010

点火装置の構成図である(実施例)。
点火装置および内燃機関を含む全体構成図である(実施例)。
点火装置の動作を示すタイムチャートである(実施例)。
通常モードと高湿度モードの2次電流のタイムチャートである(実施例)。
通常モードと高湿度モードの2次電流のタイムチャートである(変形例)。

0011

以下において、発明を実施するための形態を、実施例を用いて説明する。なお、実施例は具体的な一例を開示するものであり、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。

0012

〔実施例の構成〕
図1図2を参照して実施例の点火装置1を説明する。
点火装置1は、1次コイル2および2次コイル3を有する点火コイル4と、2次コイル3に接続する点火プラグ5とを備え、1次コイル2への通電のオンオフに伴う電磁誘導により点火プラグ5にエネルギーを投入して混合気に火花放電を発生させる。
ここで、点火装置1は、車両走行用の内燃機関6に搭載されるものであり、所定の点火時期燃焼室7内の混合気に点火する。

0013

なお、点火プラグ5は、周知構造を有するものであり、2次コイル3の一端に接続される中心電極8と、内燃機関6のシリンダヘッド等を介してアース接地される接地電極9とを備え、2次コイル3に生じるエネルギーにより中心電極8と接地電極9との間で火花放電を生じさせる。
また、内燃機関6は、例えば、ガソリン燃料とする希薄燃焼リーンバーン)が可能であり、燃焼室7内にタンブル流スワール流等の混合気の旋回流が生じるように設けられている。
以下、点火装置1について詳述する。

0014

点火装置1は、次の第1、第2回路11、12、および、制御部13を備える。
先ず、第1回路11は、1次コイル2への通電をオンオフすることで、点火プラグ5に火花放電を開始させる。また、第2回路12は、第1回路11の動作によって開始した火花放電中に第1回路11による通電方向とは逆の方向に1次コイル2に通電することで、2次コイル3の通電を第1回路11の動作で開始したのと同一方向に維持して点火プラグ5にエネルギーを投入し続け、火花放電を継続させる。
制御部13は、第1、第2回路11、12の動作を制御する部分であり、次の電子制御ユニット(以下、ECU16と呼ぶ。)および投入ドライバ17等により構成される。

0015

ここで、ECU16は、内燃機関6に対する制御の中枢を成すものであり、後述する点火信号IGtおよび放電継続信号IGw等の各種信号を出力して1次コイル2への通電を制御し、1次コイル2への通電を制御することで2次コイル3に誘導される電気エネルギーを操作して、点火プラグ5の火花放電を制御する。

0016

なお、ECU16は、車両に搭載されて内燃機関6の運転状態制御状態を示すパラメータを検出する各種センサから信号が入力される。また、ECU16は、入力された信号を処理する入力回路、入力された信号に基づき、内燃機関6の制御に関する制御処理演算処理を行うCPU、内燃機関6の制御に必要なデータやプログラム等を記憶して保持する各種のメモリ、CPUの処理結果に基づき、内燃機関6の制御に必要な信号を出力する出力回路等を備えて構成される。

0017

なお、ECU16に信号を出力する各種センサとは、例えば、内燃機関6の回転数を検出する回転数センサ24、内燃機関6に吸入される吸入空気の圧力を検出する吸気圧センサ25、および、混合気の空燃比を検出する空燃比センサ26等である。
そしてECU16は、これらセンサから得られるパラメータの検出値に基づき、点火装置1による点火制御燃料噴射弁27による燃料噴射制御等を実行する。なお、実施例において、燃料噴射弁27は、吸気路28に設けられているが、燃焼室7に直接燃料噴射する、いわゆる直噴式の構成となっていてもよい。

0018

第1回路11は、バッテリ30のプラス極と1次コイル2の一方の端子とを接続するとともに、1次コイル2の他方の端子をアースに接続し、1次コイル2の他方の端子のアース側低電位側)に、放電開始用のスイッチ(以下、第1スイッチ31と呼ぶ。)を配置することで構成されている。

0019

第1回路11は、第1スイッチ31のオンオフにより、1次コイル2にエネルギーを蓄えさせるとともに、1次コイル2に蓄えたエネルギーを利用して2次コイル3に高電圧を発生させ、点火プラグ5に火花放電を開始させる。
以下、第1回路11の動作により発生した火花放電を主点火と呼ぶことがある。また、1次コイル2の通電方向(つまり1次電流の方向)は、バッテリ30から第1スイッチ31に向かう方向をプラスとする。

0020

より具体的には、第1回路11はECU16から点火信号IGtが与えられる期間に第1スイッチ31をオンすることで、1次コイル2にバッテリ30の電圧印加してプラスの1次電流を通電し、1次コイル2に磁気的なエネルギーを蓄えさせる。その後、第1回路11は、第1スイッチ31のオフにより、電磁誘導によって2次コイル3に高電圧を発生させ、主点火を生じさせる。
なお、第1スイッチ31は、IGBTMOS型トランジスタサイリスタ等である。また、点火信号IGtは、第1回路11において1次コイル2にエネルギーを蓄えさせる期間および点火開始時期指令する信号である。

0021

第2回路12は、第1回路11に対し1次コイル2と第1スイッチ31との間に接続するとともに、昇圧回路33から1次コイル2への電力供給をオンオフするスイッチ(以下、第2スイッチ34と呼ぶ。)を配置することで構成されている。
ここで、昇圧回路33は、ECU16から点火信号IGtが与えられる期間においてバッテリ30の電圧を昇圧してコンデンサ36に蓄えるものである。

0022

より具体的に、昇圧回路33は、コンデンサ36、チョークコイル37、昇圧スイッチ38、昇圧ドライバ39、ダイオード40を備えている。
チョークコイル37は一端がバッテリ30のプラス極に接続され、昇圧スイッチ38によりチョークコイル37の通電状態断続される。また、昇圧ドライバ39は、昇圧スイッチ38に制御信号を与えて昇圧スイッチ38をオンオフさせるものである。ここで、昇圧スイッチ38は、例えば、MOS型トランジスタである。そして、コンデンサ36は、昇圧スイッチ38のオンオフ動作により、チョークコイル37に発生した磁気的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして蓄える。

0023

なお、昇圧ドライバ39は、ECU16から点火信号IGtが与えられる期間において昇圧スイッチ38を所定周期で繰り返しオンオフするように設けられている。また、ダイオード40は、コンデンサ36に蓄えたエネルギーがチョークコイル37の側へ逆流するのを防ぐものである。

0024

第2回路12は、第2スイッチ34およびダイオード44を備える。
第2スイッチ34は、例えば、MOS型トランジスタであり、コンデンサ36に蓄えるエネルギーを1次コイル2のマイナス側から投入するのをオンオフするものである。
ダイオード44は、1次コイル2から第2スイッチ34側への電流の逆流を阻止するものである。
そして、第2スイッチ34は、投入ドライバ17から与えられる制御信号によりオン動作することで、昇圧回路33から1次コイル2のマイナス側にエネルギーを投入する。

0025

投入ドライバ17は、放電継続信号IGwが与えられる期間において、第2スイッチ34をオンオフさせてコンデンサ36から1次コイル2に投入するエネルギーを制御することで、2次コイル3の通電量である2次電流を制御する。
ここで、放電継続信号IGwは、主点火として発生した火花放電を継続させる期間を指令する信号である。

0026

以上により、第2回路12は、第1回路11の動作によって開始した火花放電中に、第1回路11による通電方向とは逆の方向に1次コイル2に通電することで、2次電流を第1回路11の動作で開始したのと同一方向に維持して点火プラグ5にエネルギーを投入し続け、火花放電を継続させる。
以下、第2回路12の動作により主点火に継続する火花放電を継続火花放電と呼ぶことがある。

0027

また、投入ドライバ17は、ECU16から2次電流の指令値を示す信号である電流指令信号IGaが与えられ、電流指令信号IGaに基づき2次電流を制御する。
ここで、2次コイル3の一端は先述したように点火プラグ5の中心電極8に接続し、2次コイル3の他端は、2次コイル3に発生する2次電流を検出して制御部13にフィードバックするF/B回路46に接続している。
なお、2次コイル3の他端は、2次電流の方向を一方向に限定するダイオード47を介してF/B回路46に接続している。また、F/B回路46には、2次電流を検出するためのシャント抵抗48が接続している。

0028

そして、投入ドライバ17は、フィードバックされた2次電流の検出値と、電流指令信号IGaに基づき把握される2次電流の指令値とに基づき、第2スイッチ34のオンオフを制御する。すなわち、投入ドライバ17は、例えば、2次電流の検出値に対する上限下限の閾値を指令値に基づき設定し、検出値と上限、下限の閾値との比較結果に応じて制御信号の出力を開始したり、停止したりする。
より具体的には、投入ドライバ17は、2次電流の検出値が上限より大きくなったら制御信号の出力を停止し、2次電流の検出値が下限よりも小さくなったら制御信号の出力を開始する。

0029

なお、第1、第2回路11、12、F/B回路46および投入ドライバ17は回路ユニット49として1つにまとめられている。そして、点火プラグ5、点火コイル4、および、回路ユニット49は各気筒それぞれに設置されている。

0030

次に、図3を参照して点火装置1の動作を説明する。
また、図3において、「IGt」は点火信号IGtの入力状態ハイ/ローで表すものであり、「IGw」は放電継続信号IGwの入力状態をハイ/ローで表すものである。また、「1stSW」は第1スイッチ31のオンオフ状態を表し、「2ndSW」は第2スイッチ34のオンオフ状態を表し、「BstSW」は昇圧スイッチ38のオンオフ状態を表すものである。また、「VC」はコンデンサ36の充電電圧を表している。また、「I1」は1次電流(1次コイル2に流れる電流値)を表し、「I2」は2次電流(2次コイル3に流れる電流値)を表している。

0031

点火信号IGtがローからハイへ切り替わると(時間t01参照。)、点火信号IGtがハイの期間において、第1スイッチ31がオン状態を維持してプラスの1次電流が流れ、1次コイル2にエネルギーが蓄えられる。また、コンデンサ36の充電電圧が所定値を下回る場合、昇圧スイッチ38がオンオフを繰り返し、昇圧されたエネルギーがコンデンサ36に蓄えられる。

0032

やがて、点火信号IGtがハイからローへ切り替わると(時間t02参照。)、第1スイッチ31がオフされ、1次コイル2の通電が遮断される。これにより、電磁誘導によって2次コイル3に高電圧が発生し、点火プラグ5において主点火が発生する。
点火プラグ5において主点火が発生した後、2次電流は略三角波形状で減衰する(I2点線参照。)。そして、2次電流が下限の閾値に到達する前に、放電継続信号IGwがローからハイへ切り替わる(時間t03参照。)。

0033

放電継続信号IGwがローからハイへ切り替わると、第2スイッチ34がオンオフ制御されて、コンデンサ36に蓄えられていたエネルギーが、1次コイル2のマイナス側に順次投入され、1次電流は、1次コイル2からバッテリ30の+極に向かって流れる。
より、具体的には、第2スイッチ34がオンされる毎に1次コイル2からバッテリ30の+極に向かう1次電流が追加され、1次電流がマイナス側に増加していく(時間t03〜t04参照。)。

0034

そして、1次電流が追加される毎に、主点火による2次電流と同方向の2次電流が2次コイル3に順次追加され、2次電流は上限下限の間に維持される。
以上により、第2スイッチ34をオンオフ制御することで、2次電流が火花放電を維持可能な程度に継続して流れる。その結果、放電継続信号IGwのオン状態が続くと、継続火花放電が点火プラグ5において維持される。

0035

[実施例の特徴]
実施例の特徴的な構成について説明する。
実施例の点火装置1は、さらに、湿度検出部(以下、湿度センサ50と呼ぶ。)を備える。湿度センサ50は、内燃機関6に吸入空気を導く吸気路28に設けられ、吸入空気の湿度を検出し、ECU16に吸入空気の湿度に応じた信号を出力している(図2参照。)。

0036

そして、制御部13は、湿度センサ50の湿度の検出値に基づいて、第1回路11による火花放電の開始時期、第2回路12による点火プラグ5へのエネルギー投入量を制御するために2つのモードを使い分けている。
ここで、一方のモードは、通常状態に対応するモードであり、第1回路11による火花放電の開始時期を所定時期とし、第2回路12による点火プラグ5へのエネルギー投入量を所定量とするモード(以下、通常モードと呼ぶ。)である。

0037

そして、他方のモードは、高湿度状態に対応するモードであり、第1回路11による火花放電の開始時期を通常モードより早めるとともに、第2回路12による点火プラグ5へのエネルギー投入量を通常モードより増やすモード(以下、高湿度モードと呼ぶ。)である。

0038

[実施例の制御方法]
実施例の制御方法について図4を用いて説明する。
ここで、図中実線は高湿度モードにおける2次電流の時間変化を表し、点線は通常モードにおける2次電流の時間変化を表している。なお、高湿度モード、通常モードともに2次電流の指令値は等しく設定されている。
また、「T02」、「T03」、「T04」は、高湿度モードにおける信号の切り替わるときを表しており、「t02」、「t03」、「t04」は、低湿度モードにおける信号の切り替わるときを表している。

0039

より具体的には、「T02」は、点火信号IGtがハイからローに切り替わるときを表しており、図3における「t02」に対応している。そして、「T03」は、放電継続信号IGwがローからハイに切り替わるときを表しており、図3における「t03」に対応している。また、「T04」は、放電継続信号IGwがハイからローに切り替わるときを表しており、図3における「t04」に対応している。

0040

同様に「t02」は、点火信号IGtがハイからローに切り替わるときを表しており、図3における「t02」に対応している。そして、「t03」は、放電継続信号IGwがローからハイに切り替わるときを表しており、図3における「t03」に対応している。また、「t04」は、放電継続信号IGwがハイからローに切り替わるときを表しており、図3における「t04」に対応している。

0041

まず、制御部13は、湿度センサ50の検出値から吸入空気の状態が高湿度状態であるか否かを判定する。
なお、高湿度状態か否かの判定は、湿度センサ50の検出値が予め設定された閾値を超えるか否かで判定される。

0042

次に、高湿度状態であると判定した場合、制御部13は、高湿度モードを実行する。
高湿度モードが実行されると点火装置1は、通常モードより火花放電の開始時期が早まり(時間T02、時間t02参照。)、通常モードより点火プラグ5へのエネルギー投入量が増加する。ここで、高湿度モードと通常モードとで2次電流の指令値は等しく設定されているため、エネルギー投入量の増加は、放電継続期間を伸ばすことによって実現している(時間T03〜T04、時間t03〜t04参照。)。

0043

なお、実施例においては、高湿度モード、通常モードともに2次電流の指令値は等しくなっているため、時間T02〜T03の期間と時間t02〜t03の期間とは略等しくなっている。
一方、高湿度状態でないと判定された場合、制御部13は、通常モードを実行する。

0044

〔実施例の効果〕
実施例の点火装置1によれば、制御部13は、吸入空気の湿度の増加に応じて、第1回路11による火花放電の開始時期を早めるとともに、第2回路12による点火プラグ5へのエネルギー投入量を増やす。

0045

これにより、第1回路11による火花放電の開始時期を早めることで、着火が起こりやすくなり、第2回路12による点火プラグ5へのエネルギー投入量を増やすことで、火炎が広がりやすくなる。
このため、高湿度による着火しにくさ、火炎の広がりにくさを補うことができる。
以上により、高湿度環境下において、燃焼変動の悪化を抑制することができる。

0046

実施例の点火装置1によれば、制御部13は、第2回路12の動作を制御して放電継続期間を伸ばすことで、エネルギー投入量を増やしている。
これにより、2次電流の大きさを増やすことなく点火プラグ5へのエネルギー投入量を増やすことができる。

0047

すなわち、第2回路12の存在により、1次電流をマイナス側に増加させる期間を伸縮させることで、2次電流の大きさを増加させずに継続火花放電の期間を伸縮させることができる。
一方、第2回路を有さない点火装置においては、放電期間を伸ばす場合に2次電流を増加させることで対応せざるを得ず、点火プラグの消耗がどうしても大きくなってしまう。
このため、第2回路を有さない点火装置に比して、点火プラグ5の消耗を抑制しつつ、エネルギー投入量を増やすことができる。

0048

[変形例]
本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形例を考えることができる。
なお、変形例において、符号の意味は図4と同一としている。
実施例によれば、高湿度モードにおいて、放電継続期間を伸ばすことで点火プラグ5へのエネルギー投入量を増やしているが、図5(a)に示すように2次電流の大きさを増加させて、点火プラグ5へのエネルギー投入量を増やしてもよい。
なお、図5(a)において、継続火花放電の期間は、高湿度モードと通常モードで同一としている(時間T03〜T04、時間t03〜t04参照。)。

0049

これにより、継続火花放電の期間を短縮することができるので、速やかに次の点火に備えることができる。
なお、2次電流の大きさを増加させるには、2次電流の指令値を大きく設定すればよい。

0050

また、当然ではあるが、図5(b)に示すように、2次電流の大きさを増加させ、且つ、継続火花放電の期間を増加させることで、点火プラグ5へのエネルギー投入量を増やしてもよい。

実施例

0051

また、実施例においては、閾値判定により高湿度モードと通常モードとを切り替えていたが、湿度センサ14による湿度の検出値に比例して、火花放電の開始時期を早めるとともに、点火プラグ5へのエネルギー投入量を増やす構成としてもよい。

0052

1点火装置2 1次コイル3 2次コイル 4点火コイル5点火プラグ
11 第1回路12 第2回路 13 制御部 50湿度センサ(湿度検出部)

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