JP2012145044A - 火花点火式内燃機関の火花点火制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の耐久性を損ねることなく電界を利用して燃焼の促進を図ることができる内燃機関の火花点火制御方法を提供する。
【解決手段】点火プラグを備え、点火プラグに接続される点火コイルを介して印加される高電圧により生じる火花放電時に生成される生成物と電界生成手段により点火プラグを介して燃焼室内に生成される電界とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関の火花点火制御方法であって、燃焼時に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいて燃焼状態を判定し、燃焼状態が正常であると判定した場合に電界を生成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼室内に生成される電界と点火プラグによる火花放電により生成される生成物とを反応させてプラズマを生成して燃焼を促進する火花点火式内燃機関の火花点火制御方法に関するものである。

従来、例えば自動車用の内燃機関では、点火プラグの中心電極と接地電極との間に高電圧を印加し、両電極間のギャップに生成する火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火において例えば、火花エネルギが不足して火炎核ができにくい場合が生じたりする。

このような火花点火時の不具合を解決するために例えば、特許文献１に記載のもののように、燃焼室内にプラズマを生成し、そのプラズマと火花放電とを反応させることにより、火炎核を確実に生成するようにしたものが知られている。この特許文献１のものでは、点火プラグを介して供給するマイクロ波により、火花放電の直前あるいは火花放電とほぼ同時に高周波電界を発生させ、火花放電とプラズマとを反応させて、より強力な火炎核を生成している。

ところで、引用文献１のものでは、着火、失火の如何にかかわらず高周波電界を発生させてプラズマを生成している。プラズマには、ＯＨラジカル等のラジカルやオゾンやイオンが含まれている。着火して火炎核が形成された場合、つまり正常な燃焼が始まった場合は、ラジカルやオゾンは火炎核を拡大し燃焼を促進することに寄与する。一方、火炎核が生成されずに失火した場合は、ラジカルやオゾンが反応するための火炎核がないことにより、余剰のラジカルやオゾンが燃焼室内壁やシリンダボア壁と接触する。これによって、シリンダボア壁や燃焼室内壁を構成する金属が酸化されることになり、エンジンの耐久性を低下させるものとなった。

特開２０１０‐１０１１８２号公報

そこで本発明は以上の点に着目し、内燃機関の耐久性を損ねることなく電界を利用して燃焼の促進を図ることを目的としている。

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関の火花点火制御方法は、点火プラグを備え、点火プラグに接続される点火コイルを介して印加される高電圧により生じる火花放電時に生成される生成物と電界生成手段により点火プラグを介して燃焼室内に生成される電界とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関の火花点火制御方法であって、燃焼時に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいて燃焼状態を判定し、燃焼状態が正常であると判定した場合に電界を生成することを特徴とする。

このような構成によれば、イオン電流により燃焼が正常であると判定した場合以外、つまり燃焼が異常である場合には、電界の生成を行わない。したがって、燃焼が異常である失火時に、無用な負荷がかかって電界生成手段が損傷することや、燃焼室内壁などの酸化を抑制することが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、燃焼状態が正常であると判定した場合に電界を生成するので、電界生成手段の損傷や燃焼室内などの酸化を抑制でき、内燃機関の耐久性を向上させることができる。また、正常な燃焼時に電界を生成するので、火花放電の結果できる生成物と電界とを反応させて、燃焼を促進させることができ、燃費を向上させることができる。

本発明の実施形態を適用するエンジンの要部を示す断面図。 同実施形態における点火装置の電気回路図。 同実施形態のフローチャート。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、点火プラグ１を備える火花点火式内燃機関である二気筒のエンジン１００の一気筒の構成を示すものである。このエンジン１００は、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１を中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１が取り付けられてあり、吸気ポート２には燃焼室６へ供給する混合気を生成するための燃料噴射弁を備える。なお、エンジン１００それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。

この実施形態の点火プラグ１は、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から火花放電が発生する間隙１４だけ離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１６と、イグナイタと点火コイルとが構造上一体にされてなるイグナイタ付点火コイル（以下、点火コイルと称する）２１、２２が電気的に接続される接続端子１７とを基本的に備える。点火プラグ１は、この分野でよく知られたものを用いるものであってよい。

点火プラグ１に接続される点火装置２０は、図２に示すように、第一気筒の点火プラグ１に接続される点火コイル２１と、点火コイル２１の二次側巻線２１ａにアノードが接続されるダイオード２３と、昇圧トランス２５をその出力段に備えて火花点火時の所定時期に、燃焼室６内、特には点火プラグ１の中心電極１４を中心とする領域に電界を生成するための高周波電圧発生装置２６とを備えている。電界生成手段である高周波電圧発生装置２６は、昇圧トランス２５と、昇圧トランス２５に接続される発生装置本体２７と、高周波に基づく電圧を点火プラグ１に印加する時期（タイミング）を制御するためのスイッチング手段２８とを備えている。スイッチング手段２８は、燃焼室６内に流れるイオン電流に基づいて燃焼が正常である、つまり失火していないと判定した場合に、高周波電圧が点火プラグ１に印加されるように、電子制御装置２９により制御される。

高周波電圧発生装置２６の発生装置本体２７は例えば、車両用のバッテリの電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ‐ＤＣコンバータにて３００〜５００Ｖに昇圧し、昇圧された直流をＨブリッジ回路にて周波数が約２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚの交流に変化させる構成であり、高周波電圧発生装置２６は昇圧トランス２５により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧した高周波を出力する構成である。出力される高周波の電圧は、火花放電における誘導放電を維持させるに十分な、言い換えれば誘導放電を減衰させない電圧（以下、維持電圧と称する）以上に設定する。すなわち、高周波の電圧が維持電圧より小さいと、生成される電界の強度が低くなり、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、蛇行しなくなる可能性が生じ、プラズマによる燃焼の促進が低下することがある。

ダイオード２３は、高周波電圧発生装置２６が発生する交流に対しては整流手段として機能するとともに、点火コイル２１が発生する火花放電のための高電圧に対しては、逆流防止ダイオードとして機能する。すなわち、この実施形態にあっては、燃焼行程において点火を実施する際には、点火コイル２１の二次側巻線２１ａから、点火プラグ１の中心電極１４に正極性の高電圧が印加されるものである。したがって、ダイオード２３は、そのカソードが対応する二次側巻線２１ａに接続されるので、前記正極性の高電圧が高周波電圧発生装置２６に逆流することを防止する。

さらに点火プラグ１には、イオン電流を測定するためのバイアス用電源と、イオン電流を測定するための電流測定用回路とを備えるイオン電流測定装置２４が接続される。バイアス用電源は、火花放電とほぼ同時に点火プラグ１に電流測定のための測定用電圧（バイアス電圧）印加するものである。そして、測定用電圧の印加により、燃焼室６の内壁と点火プラグ１の中心電極１４との間、及び中心電極１４と接地電極１５との間に流れたイオン電流は、イオン電流測定装置２４の電流測定用回路及び電子制御装置２９により測定される。

電子制御装置２９は、エンジン１００に取り付けられる各種のセンサから出力される信号に基づいてエンジン１００の運転状態を制御する運転制御プログラムを内蔵するとともに、火花点火に関しては、燃焼時に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいて燃焼状態を判定し、燃焼状態が正常であると判定した場合に電界を生成するように、高周波電圧発生装置２６を制御する火花点火制御プログラムを内蔵している。この火花点火制御プログラムは点火時期毎に実行される。図３に、その制御手順を示す。

火花点火に際して、電子制御装置２９から出力される点火信号が点火コイル２１のイグナイタに入力されると、点火コイル２１の二次側巻線２１ａから、点火プラグ１の中心電極１４に正極性の高電圧が印加されて、火花放電が始まる。火花放電が始まると、まず、容量放電による容量火花が生じ、その後に誘導放電による誘導火花が生じる。

まず、ステップＳ１では、イオン電流測定装置２４からバイアス電圧が点火プラグ１に印加されて、火花放電直後に燃焼室６に発生するイオン電流を検出する。イオン電流は、正常な燃焼の場合、燃焼圧力が最大になる上死点にピストンが達した時点でほぼ最大電流値を示す。これに対して、失火を含んで燃焼状態が正常でない場合は、イオン電流が発生しないか若しくはイオン電流が発生してもその電流値は低い値となり、ある時点で他に比較して大きな差異が生じるような最大電流値を呈しない。

ステップＳ２では、検出したイオン電流の電流値が所定値か否かを判定する。所定値は、正常な燃焼であるか、あるいは失火であるかを判定し得る値に設定するもので、上述した燃焼状態が正常でない場合のイオン電流の平均的な電流値に基づいてそれより高く設定する、若しくは正常な燃焼状態における最大電流値の複数の平均値の例えば３０％値などに設定する。検出したイオン電流が所定値未満である場合は、このプログラムを終了する。

ステップＳ２において、検出したイオン電流が所定値以上であると判定した場合は、ステップＳ３において正極性の脈流による電界を生成する。具体的には、イオン電流の判定後にスイッチング手段２８をオンして、発生装置本体２７の出力を昇圧トランス２５に出力する。これにより、高周波電圧発生装置２６から高周波電圧が出力され、ダイオード２３により整流されて、高周波電圧の周波数に対応する周期の正極性の脈流となってそれぞれの気筒の点火プラグ１に印加される。

このような構成において、それぞれの気筒における点火時期において、電子制御装置２９が、イオン電流測定装置２４と連係してイオン電流を検出し（ステップＳ１）、燃焼が正常であると判定した場合に（ステップＳ２において「Ｙｅｓ」）、点火後の燃焼ガスすなわち火花点火により生成される生成物に対して高周波数の正極性の脈流による電界を生成するものである（ステップＳ３）。

前記生成物は、プラスイオンとラジカルとを含んでいる。そのような生成物に対して正極性の電界を生成することにより、プラズマが生成される。このようにプラズマを生成することにより、正極性の電界の中に点火プラグ１の中心電極１４及び接地電極１５が位置して、その周辺に存在するプラスイオンに対して反発力を付与することができる。これにより、点火プラグ１の電極周辺から、燃焼室６の全域にわたってプラスイオンが拡散し、よって燃焼が促進させることができる。

また、イオン電流により燃焼状態を判定し、その後に電界を生成するようにしているので、火花点火のための正極性の高電圧と電界生成のための高周波数の正極性の脈流とがほぼ同時に点火プラグ１に印加されることがない。このため、点火プラグ１の耐久性を保つことができる。

これに対して、燃焼状態が正常でない、つまり例えば失火した場合は（ステップＳ２において、「Ｎｏ」）、電界を生成することなくこの火花点火制御プログラムを終了するので、高周波電圧発生装置２６を損傷することやプラズマにより少なくとも燃焼室６の内壁を酸化させることを抑制することができる。

さらに、この実施形態においては、昇圧トランス２５を高周波電圧発生装置２６の出力段に用いることにより、各気筒に対してほぼ同じ電圧の交流を出力することができる。このため、この昇圧トランス２５によりあらかじめ出力する高周波の電圧を高く設定しておくことにより、ダイオード２３における電圧降下分を補償することができ、適切な密度のプラズマを生成することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

上記においては、火花放電時に点火プラグ１の中心電極１４に印加される高電圧が正極性の電圧であるものを説明したが、負極性の電圧であってもよい。この場合、この正極性の電圧に脈流（電圧）の極性を合わせるために、ダイオード２３はアノードを点火プラグ１の中心電極１４に接続する。

また、高周波電圧発生装置２６に代えて、高周波の周波数と同等の周期で変化する脈流を出力する電圧発生装置であってもよい。この場合、上記実施形態におけるダイオード２３は、整流手段としては機能せず、逆流防止のみの機能となる。したがって、電界を生成する際に、電圧発生装置が出力する高電圧の脈流をダイオード順方向電圧降下分だけ低くすることができ、電界生成に要するエネルギを低減することができる。加えて、ダイオード２３が発する熱が低くなるので、熱損失を低減することができる。

また、エンジンの気筒数は、上述の実施形態に限定されるものではない
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に適用するものが挙げられる。

１…点火プラグ
２０…点火装置
２１…点火コイル
２４…イオン電流測定装置
２６…高周波電圧発生装置
２９…電子制御装置
１００…エンジン

Claims (1)

1. 点火プラグを備え、点火プラグに接続される点火コイルを介して印加される高電圧により生じる火花放電時に生成される生成物と電界生成手段により点火プラグを介して燃焼室内に生成される電界とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関の火花点火制御方法であって、
   燃焼時に発生するイオン電流を検出し、
   検出したイオン電流に基づいて燃焼状態を判定し、
   燃焼状態が正常であると判定した場合に電界を生成する火花点火式内燃機関の火花点火制御方法。