JP2015190408A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒の燃焼室内で燃料を自着火させ燃焼させることが可能な内燃機関において、その自着火のタイミングを制御できるようにする。【解決手段】気筒の燃焼室内で燃料を自着火させ燃焼させることが可能な内燃機関であり、燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に電界を放射することが可能なものであって、気筒の燃焼室に充填される吸気に対して電界の放射を実行した後、燃料の自着火を惹起する内燃機関を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。

気筒の燃焼室内で燃料を自着火させて燃焼させる内燃機関の一種に、予混合圧縮着火（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）エンジンがある（例えば、下記特許文献を参照）。ＨＣＣＩエンジンでは、混合気全体が一気に燃えるので燃焼速度が速く、空燃比をリーン化できるために燃費性能の良化に寄与し得る。加えて、燃焼温度が低下するのでＮＯ_xの発生量が減少し、混合気のむらが小さいことからＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）の発生量も少ない。

特開２０１２−００７５０４号公報

一方、燃焼の開始を自着火に頼るＨＣＣＩエンジンでは、点火タイミングを任意に制御することが難しい。自着火は、筒内圧（気筒の燃焼室内圧力）及び筒内温（燃焼室内温度）の分布や、吸気に占める排気ガスの割合であるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）率等に依存する。それ故、所望の点火タイミングよりも早く自着火が起こったり、逆に所望の点火タイミングから遅れて自着火が起こったりする。条件によっては、自着火が起こらない、即ち失火することもあり得る。

同様のことは、ディーゼルエンジンにも当てはまる。

本発明は、気筒の燃焼室内で燃料を自着火させ燃焼させることが可能な内燃機関において、その自着火のタイミングを制御できるようにすることを所期の目的としている。

本発明では、気筒の燃焼室内で燃料を自着火させ燃焼させることが可能な内燃機関であり、燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に電界を放射することが可能なものであって、気筒の燃焼室に充填される吸気に対して電界の放射を実行した後、燃料の自着火を惹起する内燃機関を構成した。

本発明によれば、気筒の燃焼室内で燃料を自着火させ燃焼させることが可能な内燃機関において、その自着火のタイミングを制御できるようになる。

本発明の一実施形態の内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関の点火系の回路図。 同実施形態の内燃機関の点火系に付随する電界発生装置の構成を説明する図。 同電界発生装置の要素であるＨブリッジの回路図。 同実施形態の内燃機関に付帯する可変バルブタイミング機構を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態における内燃機関は、気筒１に充填された混合気を圧縮して自着火させるＨＣＣＩ燃焼と、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間で生ずる火花放電により混合気に着火する火花点火（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼とを選択して実行できるものである。

図１に、本実施形態の車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、気筒１の吸気ポートに対して燃料を噴射するポート噴射式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒エンジン。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には、その吸気ポートに臨む位置に、燃料を噴射するインジェクタ１１を設置している。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。

図２に、ＳＩ点火系の電気回路を示している。点火コイル１４は、点火プラグ１２に印加するべき火花放電用の高電圧を供給するものであり、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、点火コイル１４の一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電が生じる。

本実施形態では、ＳＩ点火系に、気筒１の燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置６を付設している。より詳しく述べると、本実施形態の内燃機関は、ＳＩ燃焼を実施するにあたり、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間に発生する火花放電と、気筒１の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界とを相互作用させ、燃焼室内にプラズマを生成して燃料に着火する「アクティブ点火（アクティブ着火）」を実行することができる。アクティブ点火法によれば、中心電極と接地電極との間の空間に高周波電界が形成され、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が生成される。電界発生装置６は、このアクティブ点火を実行するための設備である。電界発生装置６の具体例としては、高周波の交流電圧を出力する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を出力する脈流電圧発生回路等が挙げられる。

図３及び図４に示すように、本実施形態における電界発生装置６は、車載のバッテリを電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路を含む。具体的には、バッテリが提供する約１２Ｖの直流電圧を１００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流電圧を利用して交流の高周波を出力する交流発振器たる高周波発生回路６２と、高周波発生回路６２が出力する交流の高周波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。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６１は、ＥＣＵ０からの指令ｌを受けて、高周波発生回路６２に印加する直流の駆動電圧の大きさを変化させることができ、ひいては、昇圧トランス６３の下流における高周波電圧の振幅を変化させることができる。昇圧トランス６３の下流における高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜３０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。

本実施形態において、高周波発生回路６２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流電圧を交流電圧に変換するＨブリッジ回路である。図４に、このＨブリッジ回路の構成例を示している。

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。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、昇圧トランス６３の下流において交流の高周波を半波整流して脈流化するとともに、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。

因みに、電界発生装置６として脈流電圧発生回路を採用する場合、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。ここに言う脈流電圧は、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や、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等を含む。

電界発生装置６が発生させる高周波の脈流電圧は、ミキサ６６を介して点火プラグ１２の中心電極に印加する。つまり、気筒１の燃焼室内に臨む点火プラグ１２の中心電極を、電界を放射するアンテナとする。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間の空間に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中で火花放電を行うことによりプラズマが発生し、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。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。

アクティブ点火を実行する場合の、点火プラグ１２の中心電極に高周波を印加するタイミングは、通常、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前、または火花放電開始直後である。

勿論、本実施形態の内燃機関は、アクティブ点火ではない火花点火、即ち点火プラグ１２の中心電極からの高周波電界の放射を伴わない火花放電により混合気に着火する従来型のＳＩ燃焼を実施することもできる。安定的に着火して燃焼させることが容易な（燃焼不良に陥りにくい）状況下では、従来型の火花点火を実行することとして電力消費を抑制することが考えられる。

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。

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５に示すように、本実施形態の内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。

その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、ＶＶＴ機構８を介設している。本実施形態におけるＶＶＴ機構８は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気バルブの開閉タイミングを変化させるものである。

ＶＶＴ機構８のハウジング８１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング８１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ８２は、ハウジング８１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング８１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング８１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ８２の外周部に成形されたベーン８２１によって進角室８１２と遅角室８１１とに区画される。

ＶＶＴ機構８の液圧（特に、油圧）回路には、オイルパン８３１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８３２より供給される。液圧ポンプ８３２は、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ８３２とＶＶＴ機構８との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８３１から汲み上げた作動液を進角室８１２または遅角室８１１に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング８１がロータ８２に対して相対回動し、吸気バルブの開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

ＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁である。スプール９６は、ソレノイド９７によって駆動する。即ち、制御信号ｎとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。

制御信号ｎのデューティ比が比較的大きい場合には、液圧ポンプ８３２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室８１２に供給される一方、既に遅角室８１１に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８３１に向けて流下することとなり、進角室８１２の容積が拡大、遅角室８１１の容積が縮小するようにベーン８２１及びロータ８２が回動する。結果、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気バルブのバルブタイミングが進角化する。

逆に、制御信号ｎのデューティ比が比較的小さい場合には、液圧ポンプ８３２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室８１１に供給される一方、既に進角室８１２に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８３１に向けて流下することとなり、遅角室８１１の容積が拡大、進角室８１２の容積が縮小するようにベーン８２１及びロータ８２が回動する。結果、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気バルブのバルブタイミングが遅角化する。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０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ブレーキスイッチまたはマスタシリンダ圧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、内燃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、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ｇ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２に付随するイグナイタ１３に対して点火信号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、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１に対して当該ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する駆動電圧の大きさを指令する電圧指令信号ｌ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｍ、ＯＣＶ９に対して制御信号ｎ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、燃焼室内に高周波電界を印加するか否かやその電界の強度、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、吸気バルブの開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。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、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

ＨＣＣＩ燃焼を実施する際には、筒内温を高めて燃料の自着火を促進するためにＥＧＲ率を増大させる。ＥＧＲ率の増大は、後述する排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置２を介した外部ＥＧＲや、可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構８を介したバルブオーバラップ期間（吸気バルブと排気バルブとがともに開いている期間）の調整を通じた内部ＥＧＲによって実現できる。

しかして、本実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼を行うときの点火タイミングを制御するために、気筒１の燃焼室内で燃料が自着火を起こすよりも前に、燃焼室に充填された吸気に対して高周波電界の放射を実行することとしている。

アンテナたる点火プラグ１２の中心電極を介して燃焼室内に高周波電界を印加すると、燃焼室内にある混合気中でイオンやラジカルが増加する。いわば、混合気が活性化し、自着火を引き起こしやすくなる。燃焼室内への電界の放射を実行する時期は、対象の気筒１の吸気行程中ないし圧縮行程中である。

そして、点火プラグ１２の中心電極を介して燃焼室内に高周波電界を放射するタイミング、その高周波電界の強度（点火プラグ１２の中心電極に印加する高周波電圧の大きさ）、高周波電界の放射時間（点火プラグ１２の中心電極に高周波電圧を印加する時間の長さ）のうちの少なくとも一つを調整することにより、混合気が自着火しその燃焼が開始されるタイミングを任意に制御することができる。

本実施形態では、気筒１の燃焼室内で燃料を自着火させ燃焼させることが可能な内燃機関であり、燃焼室内に臨むアンテナ（点火プラグ１２の中心電極）を介して燃焼室内に電界を放射することが可能なものであって、気筒１の燃焼室に充填される吸気に対して電界の放射を実行した後、燃料の自着火を惹起する内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、燃焼室内の混合気中のイオンやラジカルの量を増加させ、そのラジカルの量を操作することを通じて、燃焼室内で混合気を自着火させるタイミングを任意に制御可能となる。従って、熱機械変換効率の向上にとって有利な点火タイミングを実現することができる。また、燃焼温度（排気ガスの温度）を制御して、排気ガス中に含まれる有害物質の量をより一層低減させることもできる。

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、気筒１の燃焼室内に電界を印加するための電界発生装置６は、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路に限定されない。電界発生装置６としてマイクロ波を出力するマグネトロン等を採用し、気筒１の燃焼室内にマイクロ波電界を印加するものとしてもよい。

上記実施形態では、点火プラグ１２の中心電極を電界放射用のアンテナとしていたが、点火プラグ１２とは別体のアンテナを気筒１に設け、これを介して気筒１の燃焼室内に高周波電界またはマイクロ波電界を放射しても構わない。

上記実施形態の内燃機関はポート噴射式のものであったが、気筒１の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関に本発明を適用することも可能である。

さらには、本発明を、ディーゼルエンジンに適用することも考えられる。ディーゼル機関においては、気筒の燃焼室内への高周波またはマイクロ波の放射を、燃焼室内への燃料噴射前に行う。

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として利用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ、アンテナ
６…電界発生装置

Claims (1)

1. 気筒の燃焼室内で燃料を自着火させ燃焼させることが可能な内燃機関であり、燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に電界を放射することが可能なものであって、
   気筒の燃焼室に充填される吸気に対して電界の放射を実行した後、燃料の自着火を惹起する内燃機関。

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