JP5119855B2 - エンジンの点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を利用して点火する点火装置に関する。

従来から、マイクロ波を利用して燃焼室内の混合気に点火するエンジンの点火装置が広く知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の点火装置は、マイクロ波を導く導波管の内部に一対の電極を設置する。この一対の電極は、導波管の終端部からマイクロ波の１／４波長離れた位置に設けられる。そして、ピストンが所定の位置に達したときに導波管にマイクロ波パルスを伝送し、一対の電極間に電解を生じさせ、非平衡プラズマ放電を形成して混合気に点火する。
特開平３−３１５７９号公報

ところで、自動車用エンジンの場合には、幅広いエンジン回転速度とエンジン負荷での運転が要求され、空燃比や空気密度ごとに火炎伝播速度が異なることなどに対応して、エンジン運転状態に応じて適切な点火時期に設定することが重要となる。エンジン性能を低下させず、最適に運転状態を維持するためには、点火装置の詳細な制御が欠かせない。

しかしながら、特許文献１に記載の点火装置では、点火時期におけるピストン高さと一対の電極位置とによって電極部位の電界強度が左右され、エンジン運転状態に応じてマイクロ波の電界強度を制御することができない。そのため、エンジンを高効率で運転することができないという問題がある。

そこで、本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、エンジンを高効率で運転することができる点火装置を提供することを目的としている。

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。

本発明のエンジンの点火装置は、燃焼室内に放電する点火プラグと、点火プラグの放電部にマイクロ波を発振し、放電部周辺の電界強度を高めて、放電部に生成されたプラズマの体積を拡大するマイクロ波発振手段と、エンジン運転状態に応じてマイクロ波の発振出力又は発振時間の少なくとも一方を制御して、燃焼室内に吸入される全吸入ガスに対する燃料の割合である燃料濃度に応じてマイクロ波発振エネルギーを調整する発振エネルギー調整手段と、を備える。発振エネルギー調整手段は、マイクロ波を発振する発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを発振時間前半よりも大きくし、燃料濃度が小さくなるほどマイクロ波の発振時間を短くするように構成されている。点火装置は、マイクロ波発振手段からのマイクロ波によって拡大したプラズマにより燃焼室内の混合気に点火する。

本発明によれば、エンジン運転状態に応じてマイクロ波のマイクロ波発振エネルギーを調整するので、点火装置によって消費されるエネルギーが過剰になったり、不足したりすることが抑制され、エンジンを高効率で運転することができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。

図１は、マイクロ波式点火装置が適用されるエンジンの構成を示す図である。

エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。

シリンダブロック１０には、ピストン１１を収装するシリンダ１２が形成される。そして、ピストン１１の冠面と、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３を形成する。この燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１は燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。

また、シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に混合気を流す吸気ポート３０と、燃焼室１３からの排気を流す排気ポート４０とが形成される。

吸気ポート３０には、吸気弁３１が設けられる。吸気弁３１は、吸気側カムシャフト３２に一体形成されるカム３３によって駆動される。吸気弁３１は、ピストン１１の上下動に応じて吸気ポート３０を開閉する。また、吸気ポート３０には燃料噴射弁３４が設置される。この燃料噴射弁３４は、吸気ポート３０の燃焼室１３への開口部に向けて燃料を噴射する。

一方、排気ポート４０には、排気弁４１が設けられる。排気弁４１は、排気側カムシャフト４２に一体形成されるカム４３によって駆動される。排気弁４１は、ピストン１１の上下動に応じて排気ポート４０を開閉する。また、排気ポート４０には、排気を外部に流す図示しない排気通路が接続する。この排気通路には、ＥＧＲ装置が設置される。ＥＧＲ装置は、エンジン運転状態に応じて排気通路を流れる排気の一部を吸気系に再循環させる。

上記した吸気ポート３０と排気ポート４０との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心部には、マイクロ波を利用して混合気に点火するマイクロ波式点火装置５０が設置される。このマイクロ波式点火装置５０は、点火プラグ５１と、マイクロ波発振用アンテナ５２と、マイクロ波発振装置５３とを備える。

点火プラグ５１は、点火部５１ａが燃焼室内に位置するようにシリンダヘッド２０に設置される。点火プラグ５１は、中心電極の先端と側方電極との間で放電ギャップを形成する構造である。この点火プラグ５１は、エンジン運転状態に応じて点火時期が制御される。

マイクロ波発振用アンテナ５２は、点火プラグ５１の点火部５１ａに向けて、所定の周波数のマイクロ波を発振するようにシリンダヘッド２０に設置される。マイクロ波発振用アンテナ５２は、同軸ケーブル５４を介して電解強化手段としてのマイクロ波発振装置５３に接続される。このように本実施形態では、マイクロ波発振用アンテナ５２とマイクロ波発振装置５３とによってマイクロ波発振手段を構成する。

エンジン１００は、マイクロ波発振装置５３を点火時期に応じて制御するために、コントローラ６０を備える。コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。コントローラ６０には、エアフローメータ、アクセル開度センサ、クランク角センサ、冷却水温センサ等の車両運転状態を検出する各種センサの出力が入力する。コントローラ６０は、これら出力に基づいてマイクロ波発振装置５３を制御し、マイクロ波の発振時間や発振出力を調整する。これにより、マイクロ波発振用アンテナ５２から発振されるマイクロ波の総マイクロ波発振エネルギーを変更する。コントローラ６０は、マイクロ波発振エネルギーを変更することによって、点火プラグ５１の点火部近傍の電界強度を調整する。

図２は、総マイクロ波発振エネルギーについて説明する図である。マイクロ波発振時の発振出力は、図２に示すように一定に設定される。１回のマイクロ波照射における総マイクロ波発振エネルギーの大きさは、マイクロ波発振時の発振時間と発振出力とで画成される面積で表される。そのため、発振時間を長くしたり、発振出力を大きくしたりすることで総マイクロ波発振エネルギーは増大する。総マイクロ波発振エネルギーが増大すると、点火部近傍に生成される電界強度は強くなる。

上記のように構成されるエンジン１００では、点火プラグ５１の放電ギャップにプラズマが形成される時期と同時、又はそれよりも進角した時期から、マイクロ波発振用アンテナ５２によってマイクロ波を発振する。プラズマにマイクロ波を照射すると、放電ギャップ部周辺の電界強度が高まり、点火プラグ５１により生成したプラズマ中の電子衝突が促進されて、図１の領域Ａに示すようにプラズマが拡大する。このようにプラズマを拡大することによって、エンジン１００は、一般的なアーク放電による点火とは異なり、広い体積を占める点火、つまり体積的に点火（以下「体積点火」という。）することができる。また、点火プラグ５１で生成したプラズマを拡大させて点火するので、従来手法のようにマイクロ波のみで点火する方法に比べて、マイクロ波式点火装置５０で消費するエネルギーを低減することができる。

さらに、本実施形態では、エンジン運転状態に応じてマイクロ波の発振時間または発振出力の少なくとも一方を制御して総マイクロ波発振エネルギーを調整することで、マイクロ波式点火装置５０に過剰なエネルギーを投入すること、または投入エネルギーが不足することを抑制して、エネルギー効率を高める。

このようなマイクロ波式点火装置５０を備えるエンジン１００は、図３に示す運転マップに基づいて運転される。図３（Ａ）は、エンジン回転速度と負荷とによって表される運転マップを示す。また、図３（Ｂ）は空気過剰率λと負荷との関係を示し、図３（Ｃ）はＥＧＲガスの吸気系への導入率（以下「ＥＧＲ率」という。）と負荷との関係を表す図である。

エンジン１００は、図３（Ａ）の領域Ｐでは高回転速度・高負荷側運転を実施し、領域Ｑでは低回転速度・低負荷側運転を実施する。なお、高回転速度・高負荷側運転を行う領域と低回転速度・低負荷側運転を行う領域との境界は、本実施形態を適用するエンジンの仕様等により異なる。

高回転速度・高負荷側運転では、図３（Ｂ）に示すように負荷によらず空気過剰率λを１で制御し、図３（Ｃ）に示すように負荷が小さくなるほどＥＧＲ率が大きくなるように制御して希釈燃焼させる。この運転領域では、マイクロ波発振エネルギーは、図３（Ａ）に示すように、後述する低回転速度・低負荷側運転時よりも小さく設定される。そして、負荷が小さくなってＥＧＲ率が大きくなるほど、総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定する。また、同一負荷の場合には、エンジン回転速度が高い場合の方が低い場合に比べて、総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定する。これは、クランク角当りの実時間が短くなる高回転速度時に燃焼速度を高めて熱発生期間の最適化を図るためである。したがって、高回転速度時に総マイクロ波発振エネルギーを高めるためには、マイクロ波の発振時間を短くしつつ発振出力を上げることとなる。

これに対して、低回転速度・低負荷側運転においては、図３（Ｃ）に示すように負荷によらずＥＧＲ率を一定にして希釈燃焼させるとともに、図３（Ｂ）に示すように負荷に応じて空気過剰率λを１よりも大きく制御してリーン（希薄）燃焼させる。この運転領域では、高回転速度・高負荷側運転時と同じ総マイクロ波発振エネルギーで体積点火したのでは着火性が悪化する。そのため、低回転速度・低負荷側運転時は、総マイクロ波発振エネルギーを高回転速度・高負荷側運転制御時よりも大きく設定する。そして、図３（Ａ）に示すように、負荷が小さくなってリーンになるほど、総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定する。また、同一負荷の場合には、エンジン回転速度が高い場合の方が低い場合に比べて総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定する。

以上により、第１実施形態では下記の効果を得ることができる。

本実施形態によれば、エンジン運転状態に応じてマイクロ波の発振出力または発振時間の少なくとも一方を変化させて総マイクロ波発振エネルギーを制御する。そのため、マイクロ波式点火装置５０によって消費されるエネルギーが過剰になったり、不足したりすることが抑制され、マイクロ波式点火装置５０でのエネルギー効率が向上する。これにより、エンジン１００を高効率で運転することが可能となる。

リーン燃焼を行う運転領域ではリーンになるほど総マイクロ波発振エネルギーを大きくし、ＥＧＲガス導入による希釈燃焼を行う運転領域ではＥＧＲ率が大きくなるほど総マイクロ波発振エネルギーを大きくする。つまり、燃焼室内に吸入された全吸入ガス量に対する燃料の割合（燃料濃度）が小さくなるほど、総マイクロ波発振エネルギーを大きく制御して、点火プラグ５１の点火部５１ａに生成されるプラズマの拡大を促進する。そのため、着火時の筒内温度が低くなって着火性が悪化したり、燃焼速度が理論空燃比燃焼時に比べて低下したりする大希薄燃焼時及び大希釈燃焼時にも燃焼性能が低下するのを抑制することができ、熱効率の向上を図ることができる。

また、エンジン回転速度が高いほど総マイクロ波発振エネルギーを大きくするので、クランク角度あたりの実時間が短くなる高回転速度時に総マイクロ波発振エネルギーを相対的に高めることができ、熱発生期間の最適化を図ることができる。特に、エンジン回転速度が高いほど、マイクロ波の発振出力を高くし、かつ発振時間を短くするので、エンジン回転速度によらず燃焼期間をほぼ同一のクランク角度期間にすることができる。すなわち、高回転速度時にはクランク角度あたりの実時間が短くなるが、マイクロ波の発振時間を短く、マイクロ波発振出力を高くすることで、エネルギー投入効率が上昇し、エンジン回転速度によらず熱発生期間の最適化を図ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態のエンジン１００の構成は、第１実施形態とほぼ同様であるが、総マイクロ波発振エネルギーの制御の仕方において一部相違する。つまり、点火直前の燃焼室内の圧力（以下「筒内圧」という）に応じて総マイクロ波発振エネルギーを制御するようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

第２実施形態のエンジン１００は、図４に示す運転マップに基づいて運転される。図４（Ａ）は、エンジン回転速度と負荷とによって表される運転マップを示す。また、図４（Ｂ）は空気過剰率λと負荷との関係を示し、図４（Ｃ）は筒内圧と負荷との関係を表す図である。

エンジン１００は、図４（Ａ）の領域Ｐでは高回転速度・高負荷側運転を実施し、領域Ｑでは低回転速度・低負荷側運転を実施する。

高回転速度・高負荷側運転では、図４（Ｂ）に示すように、負荷が小さくなるほど空気過剰率λが１から大きくなるように制御してリーン燃焼させる。この運転領域では、総マイクロ波発振エネルギーは、図４（Ａ）に示すように、後述する低回転速度・低負荷側運転時よりも小さく設定される。そして、空気過剰率λが大きくなるほどマイクロ波発振エネルギーを大きく設定する。

これに対して、低回転速度・低負荷側運転においては、図４（Ｂ）に示すように負荷によらず空気過剰率λを２にしてリーン燃焼させる。この運転領域では、空気過剰率λを２に維持するため、負荷が大きくなるほどスロットルバルブ開度を大きくして吸気量を増加させるとともに、燃料噴射弁３４から噴射される燃料噴射量を増加させる。そうすると、図４（Ｃ）に示すように、負荷が大きくなるにしたがって、点火直前の筒内圧も増加する。このように筒内圧が増加すると、燃焼時の燃焼速度が低下する。そのため、図４（Ａ）に示すように、低回転速度・低負荷側運転時では、高回転速度・高負荷側運転制御時よりも総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定し、さらに筒内圧が高くなるほど総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定する。

なお、高回転速度・高負荷側運転時や低回転速度・低負荷側運転時において、同一負荷の場合に、エンジン回転速度が高い場合の方が低い場合に比べて総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定する点については、第１実施形態と同様である。

以上により、第２実施形態では、下記の効果を得ることができる。

本実施形態によれば、点火直前の筒内圧が高くなるほど総マイクロ波発振エネルギーを大きくしてプラズマの拡大を促進するので、より広い体積で体積点火することができる。そのため、筒内圧が高くなって燃焼速度が低下した場合であっても、燃焼期間を短縮することができ、燃焼性能の悪化を抑制することができる。

なお、本実施形態での総マイクロ波発振エネルギーの制御の仕方は、図５に示すような運転マップにも適用することができる。図５（Ａ）の運転マップは、高回転速度・高負荷側運転時（領域Ｐ）に、図５（Ｃ）に示すように負荷によらず空気過剰率λを１に制御し、図５（Ｂ）に示すように負荷が小さくなるほどＥＧＲ率を大きくするようにした点において図４の運転マップと異なるが、その他は図４の運転マップと同様である。したがって、高回転速度・高負荷側運転時にはＥＧＲ率が大きくなるほど総マイクロ波発振エネルギーを大きくし、低回転速度・低負荷側運転時には筒内圧が高くなるほど総マイクロ波発振エネルギーを大きくする。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態のエンジン１００の概略構成図である。

第３実施形態のエンジン１００の構成は、第１実施形態とほぼ同様であるが、圧縮比可変機構を備えた点において一部相違する。つまり、エンジン運転状態に応じて圧縮比を可変とするようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

エンジン１００は、図６に示すように、ピストン行程を変化させて圧縮比を変更する圧縮比可変機構７０を備える。圧縮比可変機構７０は、ピストン１１とクランクシャフト８０とをアッパリンク７１、ロアリンク７２で連結して、コントロールリンク７３でロアリンク７２の姿勢を制御することで圧縮比を変更する。

アッパリンク７１は、上端でピストンピン７４を介してピストン１１に連結する。アッパリンク７１は、下端で連結ピン７５を介してロアリンク７２の一端に連結する。ロアリンク７２の他端は、連結ピン７６を介してコントロールリンク７３に連結する。ロアリンク７２は、図中左右の２部材から分割可能に構成され、ほぼ中央に連結孔７２ａを有する。ロアリンク７２は、連結孔７２ａにクランクシャフト８０のクランクピン８１を挿入し、クランクピン８１を中心軸として揺動する。

クランクシャフト８０は、クランクピン８１、ジャーナル８２及びカウンターウェイト８３を備える。クランクピン８１の中心はジャーナル８２の中心から所定量偏心している。カウンターウェイト８３は、クランクアームに一体形成されて、ピストン運動の回転１次振動成分を低減する。

コントロールリンク７３は、上端で連結ピン７６を介してロアリンク７２に対して回動自在に連結する。また、コントロールリンク７３は、下端で連結ピン７７を介して、クランクシャフト８０と平行に配置されるコントロールシャフト７８に連結する。連結ピン７７は、コントロールシャフト７８の軸心から所定量偏心しており、コントロールリンク７３がその連結ピン７７を軸心として揺動する。コントロールシャフト７８は、外周にギア７８ａを形成する。このギア７８ａが、シリンダブロック１０の側部に取付けられたアクチュエータ７９の回転軸７９ａに設けられたギア７９ｂに噛合する。

上記のように構成されるエンジン１００では、ピストン１１の往復運動はアッパリンク７１に伝達され、ロアリンク７２を介してクランクシャフト８０の回転運動に変化される。この場合には、ロアリンク７２はクランクピン８１を中心軸として揺動しながら、クランクシャフト８０の中心に対して図中反時計回りに回転する。ロアリンク７２に連結するコントロールリンク７３は、下端に連結するコントロールシャフト７８の連結ピン７７を支点として揺動する。コントロールシャフト７８と連結ピン７７とは偏心しているため、アクチュエータ７９によってコントロールシャフト７８が回転すると、連結ピン７７が移動する。この連結ピン７７の移動によってコントロールリンク７３の揺動中心が変化するため、これによりアッパリンク７１及びロアリンク７２の姿勢を変えることができ、ピストン１１の上死点位置を所定の範囲内で任意に調整できる。

上記のように構成されるエンジン１００は、図７に示す運転マップに基づいて運転される。図７（Ａ）は、エンジン回転速度と負荷とによって表される運転マップを示す。図７（Ｂ）は、ＥＧＲ率と負荷との関係を示し、図７（Ｃ）は空気過剰率λと負荷との関係を示す。また、図７（Ｄ）は圧縮比と負荷との関係を表す図である。

エンジン１００は、図７（Ａ）の領域Ｐでは高回転速度・高負荷側運転を実施し、領域Ｑでは低回転速度・低負荷側運転を実施する。

高回転速度・高負荷側運転では、図７（Ｃ）に示すように空気過剰率λを１に制御し、図７（Ｂ）に示すように負荷が小さくなるほどＥＧＲ率が大きくなるように制御してリーン燃焼させる。このときの圧縮比は、図７（Ｄ）に示すように低圧縮比で、負荷によらず一定となるように設定される。この運転領域では、マイクロ波発振エネルギーは、図７（Ａ）に示すように、後述する低回転速度・低負荷側運転時よりも小さく設定される。そして、負荷が小さくなってＥＧＲ率が大きくなるほど総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定する。

これに対して、低回転速度・低負荷側運転においては、図７（Ｂ）に示すように負荷によらずＥＧＲ率を一定にして希釈燃焼させるとともに、図７（Ｃ）に示すように負荷に応じて空気過剰率λを１よりも大きく制御してリーン燃焼させる。燃焼が不安定になりやすい条件においても着火性能の低下を抑制するため、このときの圧縮比は、図７（Ｄ）に示すように負荷が小さくなるほど高圧縮比になるように設定される。

上記の通り、負荷が小さくなるほど圧縮比を高くすると、点火直前の筒内圧が負荷の低下に伴って増加するので燃焼速度が低下してしまう。そのため、本実施形態では、図７（Ａ）に示すように、低回転速度・低負荷側運転時は高回転速度・高負荷側運転制御時よりも総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定し、さらに筒内圧が高くなるほど総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定する。

なお、高回転速度・高負荷側運転時や低回転速度・低負荷側運転時において、同一負荷の場合に、エンジン回転速度が高い場合の方が低い場合に比べて総マイクロ波発振エネルギーを大きく設定する点については、第１及び第２実施形態と同様である。

以上により、第３実施形態では、下記の効果を得ることができる。

リーン燃焼を行う運転領域では混合気の空燃比が低いほど総マイクロ波発振エネルギーを大きくし、またＥＧＲガス導入による希釈燃焼を行う運転領域ではＥＧＲ率が大きくなるほど総マイクロ波発振エネルギーを大きくするので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、圧縮比が高くなるほど、換言すれば点火直前の筒内圧が高くなるほど総マイクロ波発振エネルギーを大きくして、プラズマの拡大を促進するので、より広い体積で体積点火することができる。そのため、筒内圧が高くなって燃焼速度が低下した場合であっても、燃焼期間を短縮することができ、燃焼性能の悪化を抑制することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態のエンジン１００の構成は、第１実施形態とほぼ同様であるが、総マイクロ波発振エネルギーの制御の仕方において一部相違する。つまり、マイクロ波を発振する発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを発振時間前半よりも大きくするようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

第１実施形態〜第３実施形態では、図２に示したように発振時間と発振出力とによって総マイクロ波発振エネルギーを制御し、マイクロ波を発振する間の発振出力は一定としている。そのため、マイクロ波発振時の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーは一定となる。

しかしながら、プラズマにマイクロ波を発振してプラズマを拡大する場合に、全発振時間において単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを一定としてマイクロ波をプラズマに発振したのでは、ある程度プラズマが拡大してプラズマ表面積が大きくなると、プラズマがそれ以上拡大しないことがある。そのため、燃焼性能が低下しやすい運転領域では、プラズマの拡大を図るために、マイクロ波の発振出力をマイクロ波発振当初から大きく設定して、単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを増加させておく必要があり、マイクロ波式点火装置５０でのエネルギー効率が悪化する。

そこで、本実施形態では、燃焼性能が低下しやすい運転領域において、マイクロ波式点火装置５０でのエネルギー効率の悪化を抑制するため、図８に示すように単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを制御する。

図８は、マイクロ波の発振時間と発振出力との関係を示す図である。

本実施形態では、図８に示すように、マイクロ波を発振する発振時間後半の発振出力Ｖ２が、発振時間前半の発振出力Ｖ１よりも大きくなるように発振出力を制御する。したがって、発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーは、発振時間前半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーよりも大きくなる。そのため、ある程度プラズマが拡大してプラズマ表面積が大きくなっても、発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを大きくするので、プラズマをさらに拡大することができる。このように、プラズマの拡大状態に応じて単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを調整することができるので、マイクロ波式点火装置５０でのエネルギー効率が高くなる。

上記のように構成されるエンジン１００は、図９に示す運転マップに基づいて運転される。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、第１実施形態の図３（Ａ）〜図３（Ｃ）とほぼ同様であるので詳細な説明は省略する。

エンジン１００は、図９（Ａ）の領域Ｒに示すように、空気過剰率λが大きくなって燃焼性能が低下する運転領域において、発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーが発振時間前半よりも大きくなるようにマイクロ波を制御し、高エネルギー効率でプラズマの拡大を図る。

この領域Ｒでは、１回のマイクロ波の発振における総マイクロ波発振エネルギーは、運転状態によらず一定となるように設定される。そのため、負荷が小さくなって空気過剰率λが大きくなる場合には、空気過剰率に応じて総マイクロ波発振エネルギーを大きくしたときと比較して着火性が低下する。しかしながら、本実施形態では、空気過剰率λが大きくなるほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定し、短時間にプラズマを拡大させることで着火性の低下を抑制する。

また、同一負荷の場合には、エンジン回転速度が高くなるほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定する。そのため、総マイクロ波発振エネルギーを一定としても、短時間にプラズマを拡大させることができ、クランク角当りの実時間が短くなる高回転速度時に燃焼速度を高めることができる。

以上により、第４実施形態では下記の効果を得ることができる。

本実施形態によれば、空気過剰率λが大きくなって燃焼性能が低下する運転領域において、発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを発振時間前半よりも大きくする。これにより、プラズマの拡大状態に応じてマイクロ波発振エネルギーを調整することができ、第１実施形態〜第３実施形態と比較してマイクロ波式点火装置５０でのエネルギー効率を高くすることができる。

また、空気過剰率λが大きくなって燃焼性能が低下する運転領域において、エンジン運転状態によらず総マイクロ波発振エネルギーを一定にするとともに、空気過剰率λが大きくなるほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定する。そのため、高エネルギー効率で短時間にプラズマを拡大することができるので、空気過剰率λが大きくなっても着火性の低下を抑制できる。

さらに、空気過剰率λが大きくなって燃焼性能が低下する運転領域において、エンジン運転状態によらず総マイクロ波発振エネルギーを一定にするとともに、エンジン回転速度が高くなるほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定する。そのため、高エネルギー効率で短時間にプラズマを拡大させることができ、クランク角当りの実時間が短くなる高回転速度時に燃焼速度を高めて熱発生期間の最適化を図ることができる。

なお、本実施形態は、空気過剰率λが大きくなって燃焼性能が低下する運転領域について説明したが、ＥＧＲ率が大きくなって燃焼性能が低下する運転領域についても適用することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態のエンジン１００の構成は、第１実施形態とほぼ同様であるが、マイクロ波発振エネルギーの制御の仕方において一部相違する。つまり、点火直前の筒内圧が高くなって燃焼性能が低下する運転領域において、第４実施形態と同様にマイクロ波発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを発振時間前半よりも大きくするようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

本実施形態のエンジン１００は、図１０に示す運転マップに基づいて運転される。図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、第２実施形態の図４（Ａ）〜図４（Ｃ）とほぼ同様であるので詳細な説明は省略する。

エンジン１００は、図１０（Ａ）の領域Ｒに示すように、点火直前の筒内圧が高くなって燃焼速度が低下する運転領域において、発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーが発振時間前半よりも大きくなるようにマイクロ波を制御し、高エネルギー効率でプラズマの拡大を図る。

この領域Ｒでは、１回のマイクロ波の発振における総マイクロ波発振エネルギーは、運転状態によらず一定となるように設定される。そのため、点火直前の筒内圧が高くなって燃焼速度が低下した場合には、筒内圧に応じて総マイクロ波発振エネルギーを増大したときと比較して燃焼期間が長くなり燃焼性能が悪化する。しかしながら、本実施形態では、負荷が大きくなって筒内圧が高くなるほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定するので、短時間にプラズマを拡大させることができ、燃焼速度が低下しても燃焼期間を短縮することができる。

なお、同一負荷の場合に、エンジン回転速度が高くなるほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定する点については、第４実施形態と同様である。

以上により、第５実施形態では下記の効果を得ることができる。

本実施形態によれば、点火直前の筒内圧が高くなって燃焼性能が低下する運転領域において、発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを発振時間前半よりも大きくする。そして、この運転領域では、エンジン運転状態によらず総マイクロ波発振エネルギーを一定にするとともに、筒内圧が高くなるほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定する。そのため、高効率で短時間にプラズマを拡大させることができるので、筒内圧に起因して燃焼速度が低下しても、燃焼期間を短縮することができ、燃焼性能の悪化を抑制することができる。

なお、本実施形態でのマイクロ波発振エネルギーの制御の仕方は、図５に示すような運転マップにおいて、筒内圧が高くなって燃焼速度が低下する運転領域についても適用することができる。

（第６実施形態）
第６実施形態のエンジン１００の構成は、第３実施形態とほぼ同様であるが、マイクロ波発振エネルギーの制御の仕方において一部相違する。つまり、第５実施形態と同様に、点火直前の筒内圧が高くなって燃焼速度が低下する運転領域において、マイクロ波発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを発振時間前半よりも大きくするようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

本実施形態のエンジン１００は、図１１に示す運転マップに基づいて運転される。図１１（Ａ）〜図１１（Ｄ）は、第３実施形態の図６（Ａ）〜図６（Ｄ）とほぼ同様であるので詳細な説明は省略する。

エンジン１００は、図１１（Ａ）の領域Ｒに示すように、負荷が低下して圧縮比が高くなる運転領域、つまり筒内圧が高くなって燃焼速度が低下する運転領域において、発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーが発振時間前半よりも大きくなるように制御し、高エネルギー効率でプラズマの拡大を図る。

この領域Ｒでは、１回のマイクロ波の発振における総マイクロ波発振エネルギーは、運転状態によらず一定となるように設定される。そのため、点火直前の筒内圧が高くなって燃焼速度が低下した場合には、筒内圧に応じて総マイクロ波発振エネルギーを増大したときと比較して燃焼性能が悪化する。しかしながら、本実施形態では、圧縮比が高くなって筒内圧が高くなるほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定するので、短時間にプラズマを拡大させることができる。そのため、燃焼速度が低下しても、燃焼期間を短縮することができる。

なお、同一負荷の場合に、エンジン回転速度が高くなるほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定する点については、第４実施形態及び第５実施形態と同様である。

以上により、第６実施形態では下記の効果を得ることができる。

本実施形態によれば、点火直前の筒内圧が高くなって燃焼速度が低下する運転領域において、発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを発振時間前半よりも大きくする。そして、この運転領域では、エンジン運転状態によらず総マイクロ波発振エネルギーを一定にするとともに、筒内圧が高くなるほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定する。そのため、高効率で短時間にプラズマを拡大させることができるので、筒内圧に起因して燃焼速度が低下しても、燃焼期間を短縮することができ、燃焼性能の悪化を抑制することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなし得ることは明白である。

例えば、第１実施形態から第６実施形態では、全運転領域でマイクロ波発振によるプラズマの拡大を行うものとしたが、高回転速度・高負荷側運転においては低回転速度・低負荷側運転時よりも燃焼性がよいので、点火プラグ５１のみよって燃焼室内の混合気に点火するようにしてもよい。

また、第１実施形態では、リーン燃焼時にリーンになるほど、また希釈燃焼時にＥＧＲ率が大きくなるほど、着火時の筒内温度が低くなるので、着火性が低下して燃焼性能が悪化する。そのため、筒内温度を検出する温度センサをエンジン１００に設け、筒内温度が低くなるほどマイクロ波発振エネルギーを大きくするようにしても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、筒内温度が低くなって燃焼性能が低下する運転領域において、発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを発振時間前半よりも大きく設定し、その運転領域でエンジン運転状態によらず総マイクロ波発振エネルギーを一定にするとともに、筒内温度が低下するほどマイクロ波の発振時間が短くなるように設定することで、高効率でプラズマを拡大することができるだけでなく、筒内温度が低下しても短時間にプラズマを拡大させることができる。そのため、筒内温度が低くなっても、着火性の低下を抑制することができる。

マイクロ波式点火装置が適用されるエンジンの概略構成図である。 マイクロ波発振エネルギーについて説明する図である。 エンジンの運転マップを示す図である。 第２実施形態のエンジンの運転マップを示す図である。 第２実施形態のエンジンの他の運転マップを示す図である。 可変圧縮比エンジンの概略構成図である。 第３実施形態のエンジンの運転マップを示す図である。 マイクロ波の発振時間と発振出力との関係を示す図である。 第４実施形態のエンジンの運転マップを示す図である。 第５実施形態のエンジンの運転マップを示す図である。 第６実施形態のエンジンの運転マップを示す図である。

符号の説明

１００ エンジン
１１ ピストン
１３ 燃焼室
３０ 吸気ポート
３４ 燃料噴射弁
４０ 排気ポート
５０ マイクロ波式点火装置
５１ 点火プラグ
５１ａ 点火部
５２ マイクロ波発振用アンテナ（マイクロ波発振手段）
５３ マイクロ波発振装置（マイクロ波発振手段）
６０ コントローラ（発振エネルギー調整手段）

Claims (2)

1. 燃焼室内に放電する点火プラグと、
   前記点火プラグの放電部にマイクロ波を発振し、放電部周辺の電界強度を高めて、放電部に生成されたプラズマの体積を拡大するマイクロ波発振手段と、
   エンジン運転状態に応じてマイクロ波の発振出力又は発振時間の少なくとも一方を制御して、燃焼室内に吸入される全吸入ガスに対する燃料の割合である燃料濃度に応じてマイクロ波発振エネルギーを調整する発振エネルギー調整手段と、を備え、
   前記発振エネルギー調整手段は、マイクロ波を発振する発振時間後半の単位時間当たりのマイクロ波発振エネルギーを発振時間前半よりも大きくし、燃料濃度が小さくなるほどマイクロ波の発振時間を短くするように構成されており、
   前記マイクロ波発振手段からのマイクロ波によって拡大したプラズマにより燃焼室内の混合気に点火するエンジンの点火装置。
2. 前記発振エネルギー調整手段は、エンジン運転状態によらず、１回のマイクロ波発振時における総マイクロ波発振エネルギーを一定とすることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの点火装置。