JP2008111371A

JP2008111371A - レシプロエンジンの点火装置

Info

Publication number: JP2008111371A
Application number: JP2006294430A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Shiraishi; 泰介白石; Akihiko Kakuho; 章彦角方; Tomonori Urushibara; 友則漆原; Morihiro Nagamine; 守洋長嶺
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15

Abstract

【課題】レシプロエンジンの運転状態に応じてコロナ放電の印加電圧を変更可能にし、例えば希薄又は希釈燃焼時に一層安定的に運転できる点火装置を提供する。
【解決手段】シリンダ内を往復動するピストン２４を有するレシプロエンジン２０の点火装置であって、レシプロエンジン２０の運転状態に応じた短パルス高電圧を発生する短パルス高電圧発生器１２と、シリンダ内に延設され、短パルス高電圧発生器１２で発生した短パルス高電圧によってピストン２４へ到達するストリーマを生じさせる電極１１とを有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、レシプロエンジンの点火装置に関する。

例えば特許文献１に記載された従来のエンジン点火装置は、シリンダヘッドに配置された電極に、パルスパワー電源から短矩形波状の高電圧を印加する。短パルス高電圧が印加された電極には、まず低温プラズマによるストリーマ放電(コロナ放電)が発生し、その後熱化プラズマによるアーク放電が発生する。このような放電形態によって燃料が着火する。このようなエンジン点火装置によれば、通常のスパークプラグを使用する装置に比べて、着火エネルギを高くすることができ、着火領域が大きくなり、燃焼室全体への火炎伝播が促進され燃焼の等容度が高まる。
特開２０００−１１０６９７号公報

しかし、前述した従来のエンジン点火装置では、コロナ放電の印加電圧(投入電子エネルギ)を変えることができない。すなわち従来のエンジン点火装置では、印加電圧が不足すればストリーマ形成が不安定になり、印加電圧が過大であればアーク放電が発生してしまうので、印加電圧を変えることができないのである。

ところが本件発明者らが鋭意研究を進めた結果、例えば希薄又は希釈燃焼時には、コロナ放電の印加電圧を上げることができれば一層安定した希薄又は希釈燃焼を実現することができることが知見された。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、レシプロエンジンの運転状態に応じてコロナ放電の印加電圧を変更可能にし、例えば希薄又は希釈燃焼時に一層安定的に運転できるレシプロエンジンの点火装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、シリンダ内を往復動するピストン(２４)を有するレシプロエンジン(２０)の点火装置であって、前記レシプロエンジン(２０)の運転状態に応じた短パルス高電圧を発生する短パルス高電圧発生器(１２)と、前記シリンダ内に延設され、前記短パルス高電圧発生器(１２)で発生した短パルス高電圧によって前記ピストン(２４)へ到達するストリーマを生じさせる電極(１１)とを有することを特徴とする。

本発明によれば、電極からピストンへ到達するストリーマを生じさせてコロナ放電を発生させる。すなわちピストンを負極としてコロナ放電させる。したがって電極間距離(放電ギャップ距離)を印加時期のみによって容易に拡大できる。コロナ放電では、電極間距離を拡大すると印加電圧(投入電子エネルギ)を上昇させることができるので、希薄又は希釈燃焼時に点火時期を進角設定することで印加電圧(投入電子エネルギ)を容易に増すことができ、安定した希薄又は希釈燃焼が可能になる。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第１実施形態を示す構成図である。

エンジン点火装置１０は、コロナ放電電極１１と、短パルス高電圧発生器１２とを有する。

コロナ放電電極１１は、軸心から突き出た棒状の中心電極１１ａと、その中心電極１１ａで発生した放電が根元へ沿面放電してしまうことなくピストン側へ放電させるための絶縁体１１ｂとが形成される。

エンジン２０のピストン２４の冠面２４１には、中心付近に絶縁層２４１ａが形成される。また少なくともひとつのピストンリング２５は導電体で構成される。その他のエンジン構成は通常のものと同様である。すなわち燃焼室２１は、シリンダヘッド２２と、シリンダブロック２３と、ピストン２４とで形成される。シリンダヘッド２２には、吸気ポート２２ａと、排気ポート２２ｂとが形成される。吸気ポート２２ａには燃料インジェクタ２６が設けられる。吸気ポート２２ａはエンジン回転に応動する吸気バルブ５１によって開閉する。排気ポート２２ｂはエンジン回転に応動する排気バルブ６１によって開閉する。

短パルス高電圧発生器１２は、パルス発生部１２ａと、高電圧発生部１２ｂとを有し、コロナ放電電極１１に対して短パルス高電圧を印加する。短パルス高電圧発生器１２は、コントローラ７０によって制御される。コントローラ７０は、電圧不足によってストリーマ形成が不安定にならないように、また過大によるアーク放電を防止するように、運転条件に応じて、短パルス高電圧発生器１２の印加電圧、印加時間及び印加(点火)時期を制御する。なおコントローラ７０は中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。

図２は、コロナ放電電極の先端付近の拡大図であり、特にコロナ放電時の状態を示す。

コロナ放電電極１１の中心電極１１ａがコロナ放電すると、ピストン２４の冠面２４１の絶縁層２４１ａの周囲に向かう多枝のストリーマＳが中空円錐状に生成される。そのため体積的な点火が生じる。このように本実施形態の構成によれば、中心電極１１ａから、絶縁層２４１ａが形成されていないピストン冠面２４１との最短距離にコロナ放電が発生し、図２に示すように、中空円錐状にストリーマＳが形成され、中空円錐形状の比較的大きな着火領域となる。

次に、コロナ放電電極１１に電圧を印加した場合の放電形態について説明する。

コロナ放電電極１１に高電圧を印加すると、電子が負極(本実施形態ではピストン冠面２４１)から遊離し、正極(本実施形態では中心電極１１ａ)に向って加速する。その途中で電子は雰囲気ガスに衝突し、その雰囲気ガスを電離させて、さらに遊離電子を生む(この現象は「電子なだれ」と呼ばれる)。遊離電子は直ちに正極に向かうが、質量の大きな正イオンは取り残される。

そして正イオン群と負極とに生じた電位差によってさらなる電子なだれが誘起され、ストリーマと呼ばれる正イオンと電子とが混在したプラズマ(低温プラズマ)が生成される。ストリーマが生成された状態の放電形態はコロナ放電と呼ばれる。

図２に示したように、複数のストリーマが正極(中心電極１１ａ)に生成されるが、いずれかのストリーマが負極(ピストン冠面２４１)に到達して電気的に正負極が短絡すると、短絡された部位を通して大電流が流れ、一本のアークが生成される。アークが生成された状態の放電形態はアーク放電と呼ばれる。

図３は、コロナ放電及びアーク放電による電力消費を説明する図である。

上述のように、コロナ放電は電圧印加開始からアーク放電へと遷移するまでの過渡状態において発生する。コロナ放電は、質量の大きな陽子を加速することなく、質量の軽い電子のみを加速するので、アーク放電に比べて電流消費量が少ない。このため図３に示すように、コロナ放電はアーク放電よりも高電圧(約３０〜１００ｋＶ)を印加でき、コロナ放電の高エネルギで加速された電子によって燃焼反応を促進できる。また、コロナ放電では、図２に示したように、電極間の広範囲に多枝のストリーマが生成されるので、着火する部位も複数となり、結果として着火が生じる部位の体積が大きくなる。このような体積的な点火によって等容度の高い燃焼を実現できる。

図４は、電極間距離(放電ギャップ距離)を一定にしたときにおける筒内圧力とストリーマ形成電圧(コロナ放電電圧)との関係を示す図である。図中のラインは電極間距離(放電ギャップ距離)の一定ラインである。

図４に示すようにコロナ放電では、電極間距離(放電ギャップ距離)を拡大すると印加電圧(投入電子エネルギ)を上昇させることができる。

本実施形態では、負極をピストン冠面２４１としたので、電極間距離(放電ギャップ距離)を簡単に拡大でき、放電時の印加電圧(投入電子エネルギ)を容易に上昇させることができる。したがってピストンが上死点から離れているときに(放電ギャップ距離が大きいうちに)進角点火すれば、総放電面積、総放電体積も大きいので、従来スパークプラグと同等の電力消費で希薄燃焼範囲を拡大しエンジンの熱効率を向上させることができる。

本実施形態によればピストン冠面２４１を負極にしているので、電極間距離(放電ギャップ距離)を印加時期のみによって容易に拡大でき、図４に示すようにコロナ放電の印加電圧(投入電子エネルギ)を容易に上昇させることができる。また電極間距離に応じた電圧(アーク放電遷移を起こさない限界の電圧)を印加することで、コロナ放電による大きな放電体積を得ることができる。また放電体積(ストリーマ形成部分の体積)を容易に拡大でき、希薄燃焼範囲が拡大し、熱効率が向上する。

また中心電極１１ａから、点火時期のクランク角度範囲におけるピストン冠面２４１までの距離が、中心電極１１ａから燃焼室内の全ての導体部までの距離よりも短くなるようにしたので、図５に示すように全点火範囲(点火時期の最進角時期〜最遅角時期)において中心電極１１ａ〜ピストン冠面２４１でコロナ放電させることができる。

さらに、希薄又は希釈燃焼時に点火時期が進角設定されるが、図５に示すように進角するほど電極間距離(放電ギャップ距離)が長くなり、放電体積(ストリーマ形成部分の体積)も拡大する。したがってコロナ放電の印加電圧(投入電子エネルギ)を上昇させることができ、さらに、放電体積が拡大するので、安定した希薄又は希釈燃焼を実現することができる。

さらにまた、ピストン冠面２４１の中心付近に絶縁層２４１ａを形成するので、図５(Ａ)に示すようにピストンが上死点付近にあるときにも、比較的長い電極間距離(放電ギャップ距離)を確保できる。

また、ピストンリング２５が導電体で構成されるので、ピストン２４に帯電した電気をスムーズにグラウンド方向へ流すことができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第２実施形態を示す図である。図６(Ａ)は縦断面図、図６(Ｂ)は図６(Ａ)のＢ−Ｂ矢視図、図６(Ｃ)は放電体積を示す図である。

なお以下では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

ピストン冠面２４１の中央には、円形底面２４２ａとその円形底面の周囲から直立した内壁面２４２ｂとで形成されたキャビティ２４２が設けられる。円形底面２４２ａの特に少なくとも中央付近には絶縁層２４２ｃが形成される。図６では円形底面２４２ａの全域に絶縁層２４２ｃが形成されている。

中心電極１１ａの長さは、ピストンが点火時期の最進角位置にあるときに、少なくとも中心電極１１ａの先端がキャビティ内に位置し、ピストンが上死点位置であっても中心電極１１ａの先端がキャビティ底面に当たらない長さである。

このような構成によって、図６(Ａ)、図６(Ｂ)に示すようにコロナ放電は、中心電極１１ａと内壁面２４２ｂとの間で発生する。そして図６(Ｃ)に示すようにストリーマＳは円柱状に形成される。

本実施形態によれば、ストリーマＳは円柱状に形成され、比較的大きな体積着火領域が形成される。そして図７(Ａ)に示すように、ピストンが上死点付近にあるときに点火されれば、体積着火領域が大きく、図７(Ｂ)に示すように、ピストンが上死点から離れれば体積着火領域が小さくなる。

また電極間距離(放電ギャップ距離)を容易に拡大でき、さらに、燃焼室中央に大きな放電(着火)領域を確保できる。キャビティ形状が単純なので加工が容易であり、キャビティ形状を工夫することで、印加時期との関係で所望のコロナ放電を行うことが可能である。

さらにキャビティ底面２４２ａに絶縁層２４２ｃが形成されているので、図７(Ａ)に示すように上死点付近においても中心電極１１ａから内壁面２４２ｂへ放電し、常に比較的長い電極間距離(放電ギャップ距離)を確保でき、図４の関係より印加電圧を高くすることができる。

さらにまた広範囲の点火時期範囲において、同一部分(中心電極１１ａから内壁面２４２ｂ)で放電できる。

なお上記説明においては、中心電極１１ａの長さは、ピストンが点火時期の最進角位置にあるときに、少なくとも中心電極１１ａの先端がキャビティ内に位置することとして説明したが、図７(Ｃ)に示すように、中心電極１１ａの先端がキャビティ外になるようにして、中心電極１１ａとピストン冠面２４１との間で中空円錐形状にコロナ放電させてもよい。

(第３実施形態)
図８は、本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第３実施形態を示す図である。図８(Ａ)は縦断面図、図８(Ｂ)は図８(Ａ)のＢ−Ｂ矢視図、図８(Ｃ)は放電体積を示す図である。

本実施形態のピストン２４の冠面２４１には、半球面状に窪んだキャビティ２４３が形成されている。

このようにすれば、点火時に中心電極１１ａの先端からキャビティ２４３の全面にコロナ放電が発生し、図８に示すように、半球形状の領域にストリーマが発生する。そのため、半球状の大きな着火体積領域を得ることができる。

なお中心電極１１ａの先端を半球状にすれば、中心電極１１ａの先端からキャビティ面との距離が等間隔になり一層均一なストリーマを発生させることができ、等容度を高めることができる。

(第４実施形態)
図９は、本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第４実施形態を示す図である。図９(Ａ)はピストンが上死点付近にある状態を示し、図９(Ｂ)はピストンが上死点よりも手前にある状態を示す。

本実施形態のピストン冠面２４１の中央には、円形底面２４２ａと、第１内壁球面２４２ｄと、第２内壁球面２４２ｅとで形成されたキャビティ２４２が設けられる。第１内壁球面２４２ｄは、円形底面２４２ａの周囲に連続し内径が上方に進むにつれて徐々に拡径する。第２内壁球面２４２ｅは、第１内壁球面２４２ｄの周囲に連続し、内径が上方に進むにつれて徐々に拡径し、第１内壁球面２４２ｄよりも拡径変化率が大きい。円形底面２４２ａの特に少なくとも中央付近には絶縁層２４２ｃが形成される。図９では円形底面２４２ａの全域に絶縁層２４２ｃが形成されている。

このようにすれば、ピストンが上死点付近にあるときは、中心電極１１ａの先端から第１内壁球面２４２ｄにコロナ放電が発生する。そして上死点付近から離れると、今度は中心電極１１ａの先端から第２内壁球面２４２ｅにコロナ放電が発生する。

希薄又は希釈燃焼時に点火時期が進角設定されるが、図９に示すように進角したときに放電体積が拡大するので、安定した希薄又は希釈燃焼を実現することができる。

(第５実施形態)
図１０は、本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第５実施形態を示す図である。図１０(Ａ)はピストンが上死点付近にある状態を示し、図１０(Ｂ)はピストンが上死点よりも手前にある状態を示す。

本実施形態のピストン冠面２４１の中央には、円形底面２４２ａと、第１内壁球面２４２ｄと、開口縮径面２４２ｆと、第２内壁球面２４２ｅとで形成されたキャビティ２４２が設けられる。第１内壁球面２４２ｄは、円形底面２４２ａの周囲に連続し内径が上方に進むにつれて徐々に拡径する。開口縮径面２４２ｆは、第１内壁球面２４２ｄの開口に連続し、円形底面２４２ａと平行に形成されて、第１内壁球面２４２ｄの開口面積を狭める。第２内壁球面２４２ｅは、開口縮径面２４２ｆの開口の周囲に連続し内径が上方に進むにつれて徐々に拡径する。円形底面２４２ａの特に少なくとも中央付近には絶縁層２４２ｃが形成される。図１０では円形底面２４２ａの全域に絶縁層２４２ｃが形成されている。また開口縮径面２４２ｆには絶縁層２４２ｇが形成される。

(第６実施形態)
図１１は、本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第６実施形態を示す図である。図１１(Ａ)はピストンが上死点付近にある状態を示し、図１１(Ｂ)はピストンが上死点よりも手前にある状態を示す。

本実施形態では、第２実施形態に対してさらにピストン冠面２４１にも絶縁層２４１ａが形成されている。

中心電極１１ａの長さは、ピストン２４が点火時期の最進角位置にあるときに、少なくとも中心電極１１ａの先端がキャビティ外に位置し、ピストン２４が上死点位置であっても中心電極１１ａの先端がキャビティ底面に当たらない長さである。

このような構成によって、ピストン２４が上死点付近にあるときは、図１１(Ａ)に示すようにコロナ放電は、中心電極１１ａと内壁面２４２ｂとの間で発生し、ストリーマＳは小径円柱状に形成される。ピストン２４が上死点の手前にあるときには、図１１(Ｂ)に示すようにコロナ放電は、中心電極１１ａとシリンダブロック壁面２３１との間で発生し、ストリーマＳは大径円柱状に形成される。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

例えば、上記実施形態では、点火時期の進角遅角で点火時のピストン位置が変わっているが、それに加えて例えば特開２００１−２２７３６７号に開示されているような複リンク式の可変圧縮比機構によってピストン位置を変えるものにも好適である。

また第３〜第５実施形態においても、第６実施形態のようにピストン冠面２４１に絶縁層を形成してもよい。そのようにすれば、ピストン２４が上死点の手前にあるときには、中心電極１１ａとシリンダブロック壁面２３１との間でコロナ放電させて、大径円柱状のストリーマを形成できる。

本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第１実施形態を示す構成図である。コロナ放電電極の先端付近の拡大図であり、特にコロナ放電時の状態を示す。コロナ放電及びアーク放電による電力消費を説明する図である。電極間距離(放電ギャップ距離)を一定にしたときにおける筒内圧力とストリーマ形成電圧(コロナ放電電圧)との関係を示す図である。第１実施形態の全点火範囲(点火時期の最進角時期〜最遅角時期)におけるコロナ放電の様子を示す模式図である。本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第２実施形態を示す図である。第２実施形態の全点火範囲(点火時期の最進角時期〜最遅角時期)におけるコロナ放電の様子を示す模式図である。本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第３実施形態を示す図である。本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第４実施形態を示す図である。本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第５実施形態を示す図である。本発明によるレシプロエンジンの点火装置の第６実施形態を示す図である。

符号の説明

１０エンジン点火装置
１１コロナ放電電極
１１ａ中心電極
１２短パルス高電圧発生器
２０レシプロエンジン
２１燃焼室
２３シリンダブロック
２３１シリンダブロック壁面
２４ピストン
２４１冠面
２４１ａ絶縁層
２４２，２４３キャビティ
２５ピストンリング
７０コントローラ

Claims

シリンダ内を往復動するピストンを有するレシプロエンジンの点火装置であって、
前記レシプロエンジンの運転状態に応じた短パルス高電圧を発生する短パルス高電圧発生器と、
前記シリンダ内に延設され、前記短パルス高電圧発生器で発生した短パルス高電圧によって前記ピストンへ到達するストリーマを生じさせる電極と、
を有するレシプロエンジンの点火装置。
前記短パルス高電圧発生器は、前記電極がアーク放電に遷移することなくストリーマ形成を維持するように、レシプロエンジンの運転状態に応じて短パルス高電圧を発生する、
ことを特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジンの点火装置。
前記電極は、燃焼室天井中心付近に配置されており、
前記ピストンの冠面中心付近に形成され、前記電極から生じたストリーマの到達を防止する絶縁層をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレシプロエンジンの点火装置。
前記ピストンの冠面が窪まされて形成され、前記電極から生じたストリーマが到達して体積点火するキャビティを有する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレシプロエンジンの点火装置。
前記キャビティは、半球面状に窪んで形成される、
ことを特徴とする請求項４に記載のレシプロエンジンの点火装置。
前記キャビティは、円形底面とその円形底面の周囲から直立した内壁面とで形成される、
ことを特徴とする請求項４に記載のレシプロエンジンの点火装置。
前記キャビティは、円形底面と、その円形底面の周囲に連続し内径が上方に進むにつれて徐々に拡径する第１内壁球面と、その第１内壁球面の周囲に連続し、内径が上方に進むにつれて徐々に拡径し、第１内壁球面よりも拡径変化率が大きい第２内壁球面とで形成される、
ことを特徴とする請求項４に記載のレシプロエンジンの点火装置。
前記キャビティは、円形底面と、その円形底面の周囲に連続し内径が上方に進むにつれて徐々に拡径する第１内壁球面と、その第１内壁球面の開口に連続し、円形底面と平行に形成されて、第１内壁球面の開口面積を狭める開口縮径面と、その開口縮径面の開口の周囲に連続し内径が上方に進むにつれて徐々に拡径する第２内壁球面とで形成される、
ことを特徴とする請求項４に記載のレシプロエンジンの点火装置。
前記電極は、燃焼室天井中心付近に配置されており、
前記円形底面の中心付近に形成され、前記電極から生じたストリーマの到達を防止する絶縁層を備える、
ことを特徴とする請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載のレシプロエンジンの点火装置。
前記ピストンの冠面に形成され、前記電極から生じたストリーマの到達を防止する絶縁層を備え、
前記電極は、先端が前記ピストン冠面よりも上方にあって先端がキャビティ外にあるときに前記シリンダの内壁面へ到達するストリーマを生じさせる、
ことを特徴とする請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載のレシプロエンジンの点火装置。
前記ピストンに設けられ、伝導体で形成され、そのピストンに帯電した電荷をグランドに逃がすピストンリングを備える、
ことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のレシプロエンジンの点火装置。