JP2014088778A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】混合気の空燃比が顕著にリーンである場合やＥＧＲ率が高い場合等にも確実に着火して燃焼させられるようにする。
【解決手段】気筒の燃焼室内にコロナ放電Ｅを発生させる放電手段と、放電手段によりコロナ放電Ｅが発生する電極１２１、１２２の近傍に高周波電界若しくはマイクロ波電界を生成する電界生成手段とを具備し、コロナ放電Ｅと高周波電界若しくはマイクロ波電界とを相互作用させて燃焼室内の混合気に着火する内燃機関を構成した。放電手段がコロナ放電Ｅを発生させるために電極に印加する電圧の大きさは、コロナ放電Ｅを発生させるタイミングにおける気筒内の圧力の大きさに応じて変化させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。

点火プラグの中心電極と接地電極との間に火花放電を惹起して燃焼室内の混合気に着火する火花点火式内燃機関において、火花放電と時を同じくして、それら電極の周囲に、高周波発振器が出力する高周波若しくはマグネトロンが出力するマイクロ波を放射する「アクティブ着火法」が試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。アクティブ着火法によれば、電極間の空間に高周波若しくはマイクロ波電界が形成され、この電界中で発生したプラズマが成長して、火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きな火炎核を生成できる。ひいては、安定した燃焼を得られる。

しかし、混合気の空燃比が顕著にリーンである場合や、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）率が高い場合等には、アクティブ着火を実施してもなお失火のおそれが残る。火花放電では、点火プラグの中心電極と接地電極とをつなぐ、極細い荷電粒子の通り道が一本だけ形成されることから、混合気に着火する最初の火種が小さい。その上、混合気に含まれる燃料成分が少ないと、火炎が低温化し、かつ火炎伝搬速度も低下する。従って、膨張行程におけるピストンの下死点に向けた運動（下降）に伴う気筒内の温度降下により、火炎核が小さい段階で失火してしまう可能性があった。

特開２０１１−０６４１６２号公報 特開２０１１−１５９４７７号公報

本発明は、混合気の空燃比が顕著にリーンである場合やＥＧＲ率が高い場合等にも確実に着火して燃焼させられるようにすることを所期の目的とする。

上述した課題を解決するべく、本発明では、気筒の燃焼室内にコロナ放電を発生させる放電手段と、放電手段によりコロナ放電が発生する電極の近傍に高周波電界若しくはマイクロ波電界を生成する電界生成手段とを具備し、コロナ放電と高周波電界若しくはマイクロ波電界とを相互作用させて燃焼室内の混合気に着火する内燃機関であって、放電手段がコロナ放電を発生させるために電極に印加する電圧の大きさを、コロナ放電を発生させるタイミングにおける気筒内の圧力の大きさに応じて変化させる内燃機関を構成した。

本発明によれば、混合気の空燃比が顕著にリーンである場合やＥＧＲ率が高い場合等にも確実に着火して燃焼させることが可能となる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における点火装置の回路図。 同実施形態における電界発生装置の構成を説明する図。 同実施形態における電界発生装置の要素であるＨブリッジの回路図。 同実施形態における点火プラグの電極部分を拡大して示す要部側断面図。 同実施形態における点火プラグの底面図。 本発明の変形例における点火プラグの電極部分を拡大して示す要部側断面図。 同変形例における点火プラグの底面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。

内燃機関の気筒１に吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

気筒１から排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関には、外部ＥＧＲ装置２が付帯していることがある。図１に示している外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

図２に、気筒１の燃焼室内の混合気に着火するための点火装置の電気回路を示す。本実施形態の放電手段は、燃焼室内にコロナ放電を発生させる。放電手段は、点火コイル１４、キャパシタ１５、半導体スイッチング素子１３及び点火プラグ１２を構成要素に含む。

点火コイル１４は、互いに磁気回路及び磁束を共有する一次側コイル及び二次側コイルの組である。キャパシタ１５は、車載バッテリを電源とし、バッテリが提供する約１２Ｖの直流低電圧を約２００Ｖの高電圧に昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ１６から電力の供給を受け、電荷を蓄える。そして、このキャパシタ１５に予め充電しておいた高電圧を、点火のタイミングにて点火コイル１４の一次側コイルに印加する。すると、一次側コイルを流れる電流が急増し、その瞬間に二次側コイルに高圧の誘導電圧が誘起される。その誘導電圧を、点火プラグ１２の中心電極１２１に印加する。キャパシタ１５から一次側コイルへの通電は、サイリスタやパワートランジスタ等の半導体スイッチング素子１３を介して行う。

二次側コイルから誘導電圧の印加を受けた点火プラグ１２は、気筒１の燃焼室内にて、その中心電極１２１と接地電極１２２との間でコロナ放電を発生させる。図５及び図６に示すように、本実施形態の点火プラグ１２の中心電極１２１は、絶縁体（誘電体）１２３によって被覆されており、接地電極１２２の面する燃焼室側に露出していない。よって、中心電極１２１と接地電極１２２との間での放電は、バリア放電となる。接地電極１２２は、中心電極１２１及び絶縁体１２３を包囲するような筒状をなしている。接地電極１２２の先端（下端）は、中心電極１２１の先端よりも先方（下方）に突出するとともに、絶縁体１２３の先端と略面一となっている。

コロナ放電は、火花点火式内燃機関の点火プラグにおける火花放電よりも低い印加電圧で惹起される。図６に模式的に示しているように、コロナ放電では、中心電極１２１と接地電極１２２とをつなぐような荷電粒子の通り道Ｅが複数本形成される。コロナ放電による点火は、火花放電による点火と比較して、より広い範囲で混合気に着火することが可能であり、複数個の火種、または体積の大きい火種を燃焼室内に生じさせることができる。

本実施形態の電界生成手段は、コロナ放電が発生する電極１２１、１２２の近傍に高周波電界を生成する。電界生成手段は、電界発生装置６及びアンテナ１２１を構成要素に含む。

電界発生装置６は、高周波の交流電圧をアンテナ１２１に印加する交流電圧発生回路を主体とする。図３及び図４に示すように、電界発生装置６は、車載バッテリを電源とし、低圧直流を高圧交流に変換するもので、バッテリが提供する約１２Ｖの直流低電圧を１００Ｖないし５００Ｖの高電圧に昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流を交流に変換するＨブリッジ回路６２と、Ｈブリッジ回路６２が出力する交流をさらに高い電圧に昇圧する昇圧トランス６３とを構成要素とする。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６と共通であることがある。

電界発生装置６の出力端には、第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５を介設することが好ましい。第一ダイオード６４は、カソードが昇圧トランス６３の二次側巻線の信号ラインに接続し、アノードが点火コイル１４との結節点であるミキサ６６に接続している。第二ダイオード６５は、アノードが昇圧トランス６３の二次側巻線のグランドラインに接続し、カソードが接地している。これら第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５は、点火タイミングにおいて点火コイル１４の二次側から流れ込む負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。

電界発生装置６が発振する高周波電圧は、気筒１の燃焼室内に臨み、燃焼室内に高周波電界を放射するためのアンテナ１２１に印加する。本実施形態では、点火プラグ１２の中心電極１２１を、電界放射用のアンテナとして利用する。高周波電圧は、点火プラグ１２によるコロナ放電の開始と同時、コロナ放電開始直前またはコロナ放電開始直後に、点火プラグ１２の中心電極に印加する。要するに、点火コイル１４の二次側コイルからの誘導電圧に、電界発生装置６からの高周波電圧を重畳する。これにより、コロナ放電が発生する電極１２１、１２２の近傍の領域に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中でコロナ放電が強化され、荷電粒子の通り道Ｅやその周辺にプラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きなラジカルプラズマ火炎核を生成する。

上記は、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、電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ちプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎核も大きくなるのである。結果、燃焼室内にて燃焼が急速に伝播する、換言すれば火炎が高い燃焼速度で拡大することとなる。

因みに、電界発生装置６として、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路等を採用しても構わない。当該脈流電圧発生回路は、周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その波形も任意であってよい。脈流電圧は、基準電圧（０Ｖであることがある）から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧、交流電圧を半波整流した電圧、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等をおしなべて含む。脈流電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜３０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐないし１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、半導体スイッチング素子１３に対して点弧信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、電界発生装置に対して電界（即ち、高周波）発生指令信号ｌ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、燃焼室内の混合気への点火に際し、燃焼室内にコロナ放電を発生させるべく点火コイル１４の二次側コイルから点火プラグ１２の中心電極１２１に印加する電圧の大きさを、そのコロナ放電を発生させるタイミングにおける気筒１内の圧力の大きさに応じて変化させる。

中心電極１２１への印加電圧が高すぎると、電極１２１、１２２間にコロナ放電ではなく火花放電またはグロー放電が発生する。火花放電またはグロー放電では、荷電粒子の通り道Ｅの数が一本形成されるにとどまる。従って、混合気の広範囲に亘る着火は不可能であり、複数個の火種または体積の大きい火種を燃焼室内に生み出すことはできない。

逆に、中心電極１２１への印加電圧が低すぎると、そもそも放電が発生せず、混合気に着火できない。

コロナ放電のために必要となる、そして火花放電またはグロー放電には至らないような印加電圧の大きさは、点火プラグ１２の電極１２１、１２２間にコロナ放電を惹起する（半導体スイッチング素子１３を点弧する）タイミング、即ち点火タイミングにおける気筒１内の混合気の圧力（または、密度）が高いほど大きい。

点火タイミングにおける気筒１内圧力は、気筒１に充填される吸気量（吸気圧、吸気温及びエンジン回転数から推算される）やそのときの内燃機関の温度（冷却水温）等から推測することが可能である。ＥＣＵ０は、点火タイミングにおける気筒１内圧力を推測し、その圧力が高いほど、点火コイル１４から中心電極１２１に印加される誘導電圧を高めるように、点火装置を制御する。

中心電極１２１に印加される誘導電圧は、点火タイミングの直前にキャパシタ１５に充電していた電圧の多寡に応じて定まる。そこで、ＥＣＵ０は、点火タイミングにおける気筒１内圧力に応じた誘導電圧が中心電極１２１に印加されるよう、キャパシタ１５の充電電圧を調整する。例えば、点火装置の電気回路において、キャパシタ１５と並列に接続している抵抗１７の大きさを変える。抵抗１７が大きいほど、キャパシタ１５の充電電圧が大きくなる。抵抗１７は、可変抵抗器を用いたものであってもよいし、抵抗値の異なる複数の抵抗を並列に配列しておき、それらの中から電気回路に接続する抵抗をスイッチを介して切り替えられるようにしたものであってもよい。

また、コロナ放電を増強する高周波電界の放射期間を、内燃機関の運転領域に応じて調整してもよい。混合気の空燃比がリーンである場合やＥＧＲ率が高い場合（何れも、燃料噴射量が少ない）、エンジン回転数が低い場合等は、そうでない場合と比較して燃焼が不安定となりやすい。そこで、ＥＣＵ０は、空燃比がリーンであるほど、ＥＧＲ率が高いほど、燃料噴射量が少ないほど、及び／または、エンジン回転数が低いほど、電界発生装置６からアンテナたる中心電極１２１に高周波電界を印加する期間（クランク角度（°ＣＡ）または時間）を長くするように、点火装置を制御する。

本実施形態では、気筒１の燃焼室内にコロナ放電を発生させる放電手段と、放電手段によりコロナ放電が発生する電極１２１、１２２の近傍に高周波電界を生成する電界生成手段とを具備し、コロナ放電と高周波電界とを相互作用させて燃焼室内の混合気に着火する内燃機関であって、放電手段がコロナ放電を発生させるために電極１２１に印加する電圧の大きさを、コロナ放電を発生させるタイミングにおける気筒１内の圧力の大きさに応じて変化させる内燃機関を構成した。

本実施形態では、点火プラグ１２の電極１２１、１２２におけるコロナ放電の発生直前、発生と同時または発生の直後に高周波電界を重畳して、コロナ放電を強化し、混合気に確実に着火し得るレベル放電へと成長させる。コロナ放電は、電極１２１、１２２間の複数の経路Ｅで発生し、燃焼室内の混合気の広範囲または多数の箇所に着火することを可能とする。

本実施形態によれば、混合気の空燃比が顕著にリーンである場合や、ＥＧＲ率が高い場合等にあっても、混合気に確実に着火して燃焼させることが可能となる。多点着火により、燃焼の火炎が伝搬して気筒１のボア内周面に到達するまでの時間が短縮される。火炎伝搬の速さが膨張行程におけるピストンの下死点に向けた運動の速さに追従できるようになることから、燃焼の中途で失火するおそれが低減する。空燃比のリーン化やＥＧＲガス量の増量に対する耐性が向上するため、燃料噴射量をより一層削減することが可能となり、実用燃費の良化に資する。

加えて、中心電極１２１を絶縁体（または、誘電体）１２３により被覆していることで、中心電極１２１の損耗が発生しない。故に、高耐久性のレアメタル（白金やイリジウム）を使用せず、ニッケルを使用して中心電極１２１を作製することができ、コストの低減に奏効し得る。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、点火プラグ１２の電極１２１、１２２の具体的形状は、図５及び図６に示したようなものには限定されない。接地電極１２２の先端を尖らせて針電極としてもよいし、及び／または、中心電極１２１の先端を尖らせて針電極としてもよい。図７に示す例では、中心電極１２１及び接地電極１２２の両方を針電極としている。針電極１２２ｘを形成する箇所により、図８に示すように、コロナ放電の発生位置または荷電粒子の通り道Ｅをある程度制御することが可能である。針電極１２２ｘには電界が集中するため、コロナ放電Ｅによるプラズマが優先的に形成される。気筒１の燃焼室内の圧力場や温度場が如何様に変化したとしても、安定した本数のコロナプラズマＥを生成することが可能となり、混合気への点火性能が強化される。

点火コイル１４の二次側コイルから点火プラグ１２の中心電極１２１に印加する誘導電圧の大きさを、気筒１に充填された混合気の空燃比や、燃料噴射量の多寡に応じて調節してもよい。その際、ＥＣＵ０は、空燃比がリーンであるほど、及び／または、燃料噴射量が少ないほど、コロナ放電を惹起するために中心電極１２１に印加される誘導電圧（即ち、点火タイミングに先んじてキャパシタ１５に充電する電圧）を高める。

電界生成手段の要素となる電界発生装置は、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路、または高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路には限定されない。電界発生装置としてマイクロ波発生装置を採用し、気筒の燃焼室内に高周波電界に替えてマイクロ波電界を発生させても構わない。

マイクロ波発生装置は、車載バッテリを電源とするマグネトロンを主体とする。マイクロ波発生装置は、導波管や同軸ケーブル等を介して点火プラグの中心電極に電気的に接続し、マグネトロンが出力するマイクロ波を中心電極に印加し、その中心電極をアンテナとして気筒の燃焼室内に放射することが可能である。

マイクロ波もまた、コロナ放電開始と同時、コロナ放電開始直前またはコロナ放電開始直後に印加する。このとき、ＥＣＵは、マグネトロンを制御する制御回路に対して、電界（即ち、マイクロ波）発生指令信号を入力する。マグネトロンによるマイクロ波と、点火コイルによる高誘導電圧とを重畳して点火プラグの中心電極に印加することも考えられる。

上記実施形態では、点火プラグ１２の中心電極１２１を電界（高周波若しくはマイクロ波）を放射するためのアンテナとして利用していたが、点火プラグとは別の、燃焼室内に電界を放射するための専用のアンテナを、内燃機関の各気筒に実装してもよい。

上記実施形態における内燃機関の点火装置は、いわゆるＣＤＩ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）式のものとなっていた。これ以外に、点火コイルの一次側コイルに通電している電流を（トランジスタ等の半導体スイッチング素子（イグナイタ）を介して）遮断することで二次側コイルに高い誘導電圧を誘起する、いわゆるダイレクトイグニッション式の点火装置を採用することも考えられる。ダイレクトイグニッション式の点火装置において、二次側コイルから点火プラグの中心電極に印加される誘導電圧の大きさを制御するためには、遮断直前に一次側コイルに流れている電流の大きさを調整すればよい。

その他各部の具体的構成は、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。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
１２１…中心電極（アンテナ）
Ｅ…コロナ放電

Claims (1)

1. 気筒の燃焼室内にコロナ放電を発生させる放電手段と、放電手段によりコロナ放電が発生する電極の近傍に高周波電界若しくはマイクロ波電界を生成する電界生成手段とを具備し、コロナ放電と高周波電界若しくはマイクロ波電界とを相互作用させて燃焼室内の混合気に着火する内燃機関であって、
   放電手段がコロナ放電を発生させるために電極に印加する電圧の大きさを、コロナ放電を発生させるタイミングにおける気筒内の圧力の大きさに応じて変化させる内燃機関。

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