JP2010101180A - 火花点火式内燃機関の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関にあっては、プラズマの生成状態の如何によって機関運転状態が左右される場合がある。
【解決手段】電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の運転状態により電磁波の出力を制御する火花点火式内燃機関の運転制御方法であって、点火プラグによりプラズマ生成時に燃焼室内に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいてプラズマの生成状態を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の運転制御方法に関するものである。

従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、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あって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。

このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献１に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。
特開２００７‐３２３４９号公報

ところで、内燃機関は、種々のセンサを用いてその運転状態例えば燃焼状態が検出されて、燃料供給量や点火時期などを調整するように制御されるものである。このような燃焼状態の検出において、たとえば燃焼状態が低下すると、トルクが変動するので、回転数センサによりエンジン回転数を検出し、検出したエンジン回転数の変動などに基づいて燃焼状態を推定し、運転状態を制御することが実施されている。このような燃焼状態の変動は、燃料供給量の過不足あるいは点火時期などに起因する。

上述の特許文献１に記載のものにあっては、着火に際してプラズマ雰囲気を必要としているので、プラズマ雰囲気の如何によっては、良好な着火が望めない場合が生じた。しかしながら、プラズマ雰囲気の検出は、例えば発光分光分析など、燃焼室内内部をモニターする必要があり、内燃機関には応用しにくいものである。

そこで本発明は、このような不具合を解消す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運転制御方法は、電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の運転状態により電磁波の出力を制御する火花点火式内燃機関の運転制御方法であって、点火プラグによりプラズマ生成時に燃焼室内に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいてプラズマの生成状態を判定することを特徴とする。

このような構成によれば、プラズマにはイオンが含まれていることから、プラズマの発生状態に対応して電流が変化するものとなる。すなわち、プラズマの生成状態が、電流つまりプラズマ電流に反映されるものとなる。したがって、このプラズマ電流を検出することにより、燃焼室に手を加えることなくプラズマの生成状態を把握することが可能になる。

以上の構成において、具体的な運転制御としては、プラズマの生成状態が異常であると判定した場合に、運転状態を安全側に切り替えるものが挙げられる。運転状態を安全側に切り替える制御としては、プラズマの生成状態が意図する状態を下回って異常であると判定した場合に、電磁波の出力を大にするもの、及びプラズマの生成状態が意図する状態を上回って異常であると判定した場合に、電磁波の出力を停止するものが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、プラズマにはイオンが含まれていることから、プラズマの発生状態に対応してプラズマ電流が変化するものであるので、プラズマ電流を検出することにより、燃焼室に手を加えることなくプラズマの生成状態を把握することができる。

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に概略的に示したエンジン１００は、自動車用の火花点火式４サイクル４気筒のもので、その吸気系１には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、その燃料噴射弁５を、電子制御装置６により制御するようにしている。燃焼室３０を形成するシリンダヘッド３１には、吸気弁３２及び排気弁３３が配設されるとともに、火花を発生するとともにプラズマ生成時に流れる電流であるプラズマ電流、及びイオン電流を検出するための電極となる点火プラグ１８が取り付けてある。また排気系２０には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ２１が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された触媒装置である三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。なお、図１にあっては、エンジン１００の１気筒の構成を代表して図示している。

電子制御装置６は、中央演算処理装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１と、Ａ／Ｄコンバータ１０とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、エンジン１００の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ１４から出力される気筒判別信号Ｇ１とクランク角度基準位置信号Ｇ２とエンジン回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ１５から出力される車速信号ｃ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ１６から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｅ、上記したＯ₂ センサ２１から出力される電流信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、また点火プラグ１８に対してイグニションパルスｇが出力されるようになっている。

この点火プラグ１８には、プラズマ電流及びイオン電流を測定するためのバイアス用電源２４が接続され、入力インターフェース９とこのバイアス電源２４との間には電流測定用回路２５が接続されている。点火プラグ１８、バイアス用電源２４及び電流測定用回路２５によりプラズマ・イオン電流検出系４０が構成される。バイアス用電源２４は、プラズマを生成する時に点火プラグ１８に電流測定のための測定用電圧（バイアス電圧）を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３０の内壁と点火プラグ１８の中心電極との間、及び点火プラグ１８の電極間に流れたプラズマ電流及びイオン電流は、電流測定用回路２５により測定される。このようなバイアス用電源２４と電流測定用回路２５とは、当該分野でよく知られている種々のものを適用することができる。

このようなプラズマ・イオン電流検出系４０に加えて、燃焼室３０内にプラズマを生成するために、点火プラグ１８の中心電極には、電磁波例えばマイクロ波が供給される。マイクロ波は、マグネトロン５０とマグネトロン５０を制御する制御回路５１とを備えてなる高圧交流発生装置５２から出力される。制御回路５１には、電子制御装置６から出力される高圧交流発生信号が入力される構成である。マイクロ波を点火プラグ１８まで伝送する伝送経路５３については、よく知られたものを用いることができ、例えばマグネトロン５０に電気的に接続される導波管と、その導波管と点火プラグ１８の中心電極とを電気的に接続する同軸ケーブル及び同軸分配器とで構成される。制御回路５１は、入力される高圧交流発生信号に基づいてマグネトロン５０の出力、つまりマグネトロン５０が出力するマイクロ波の出力時期及び出力電力を制御するものである。マグネトロン５０の出力は、エンジン１００の運転状態に応じて調整されるものである。

以上の構成において、電子制御装置６には、吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ１４から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間（基本噴射量）を補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間Ｔを決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。また、このようにエンジン１００の燃料噴射を制御する一方、電子制御装置６は、点火プラグ１８によりプラズマ生成時に燃焼室内に流れる電流を検出し、検出した電流に基づいてプラズマの生成状態を判定し、プラズマの生成状態が異常であると判定した場合に、運転状態を安全側に切り替えるよう、すなわちエンジン１００をフェイルセーフ制御するようにプログラミングしてある。

このエンジン１００にあっては、始動後の通常運転状態では高圧交流発生装置５２が発生するマイクロ波を出力時期に合わせて点火プラグ１８の中心電極から燃焼室３０内に放射し、それにより生成されるプラズマと点火プラグ１８による火花放電とを反応させて、混合気に着火するように構成されている。プラズマを生成する場合、マイクロ波が中心電極に印加されることにより、燃焼室３０内には、点火プラグ１８による火花放電に対して高周波電界が形成される。

点火に際しては、点火プラグ１８に点火コイル（図示しない）により火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室３０内の混合気を急速に燃焼させる構成である。

具体的には、点火プラグ１８による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。

これは、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、高周波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ラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に火炎が大きくなるものである。

この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電により混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ１８のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室３０内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

以上のような混合気の着火制御において、その時のプラズマの生成状態を、イオン電流を検出して把握し、不具合を生じる可能性がある場合は、エンジン１００をフェイルセーフ制御するものである。

図２において、ステップＳ１では、プラズマ電流を検出する。このプラズマ電流の検出タイミングは点火プラグ１８が火花放電し、かつ燃焼が始まるまでの間である。プラズマ電流は、プラズマが存在する場合に発生し、その大きさは、生成されるプラズマの量に比例するものである。燃焼が始まると、その燃焼ガスの中にあるイオンや電子によりイオン電流が流れるものである。この燃焼によるイオン電流は、ピストンが上死点に達して燃焼圧が最大となるタイミング付近において最大となる。

ステップＳ２では、検出したプラズマ電流が上限値以上か否かを判定する。上限値は適合値であり、異常にプラズマを生成した場合に検出されるプラズマ電流値に対応して設定する。異常な量のプラズマとは、そのプラズマと火花放電とが反応した場合に、例えば点火プラグ１８の中心電極や接地電極が部分的に損傷を受けることがある量のプラズマである。

検出したプラズマ電流の電流値がこのような上限値未満であると、ステップＳ３において、検出したプラズマ電流が下限値以下であるか否かを判定する。下限値は、上限値と同様に、適合値であり、プラズマの生成が異常で、必要とする量に達していない場合に検出されるプラズマ電流値に対応して設定する。下限値は、下限値を示したプラズマ電流が検出されたプラズマと火花放電とが反応した場合に、所望の燃焼速度とならない燃焼となる場合のもので適応されるものである。

ステップＳ２で検出したプラズマ電流の電流値がこのような上限値以上であると、ステップＳ４においてプラズマの生成状態が異常であるとの判定を行う。同様にして、ステップＳ３において、検出したプラズマ電流の電流値が下限値以下である場合においても、ステップＳ４にて異常の判定を行う。

ステップＳ５では、検出したプラズマ電流が下限値を上回り、かつ上限値未満である、すなわちエンジンの運転状態において必要不可欠な量、つまり過不足のない意図している規模あるいは状態のプラズマであるので、プラズマの生成状態が正常であることを判定する。

これに対して、ステップＳ４で異常判定を行った場合は、ステップＳ６において、エンジン１００のフェイルセーフ制御を実行する。フェイルセーフ制御の具体的な内容については、後述する。

このように、プラズマの生成状態をプラズマ電流により検出し、検出結果に応じてエンジン１００をフェイルセーフ制御するので、プラズマの生成状態により燃焼の低下や運転状態の変動などを抑制することができる。

次に、図３は、フェイルセーフ制御の具体例である。

同図において、ステップＳ１１においてプラズマの生成状態が上限を超えて異常であるか否かを判定する。すなわち、ステップＳ４にあっては、プラズマの生成状態異常を、ステップＳ２とステップＳ３との結果に基づいて行っている。したがって、ステップＳ１１では、イオン電流が上限値以上であるプラズマの生成状態が上限を超えている異常であるのか、イオン電流が下限値以下であるプラズマの生成状態が下限を下回っている異常であるのかを判定する。

ステップＳ１１において、プラズマの生成状態が上限を超えている異常でないと判定した場合は、ステップＳ１２において点火時期を変更する。この場合、点火時期をマイクロ波の出力に適合したものに変更してフェイルセーフ制御を実行するものである。これに対して、プラズマの生成状態が上限を超えている異常であると判定した場合は、マイクロ波の出力を停止する。すなわち高圧交流発生装置５２は、電子制御装置６からの制御信号に基づいて、制御回路５１が作動して、マグネトロン５０の出力を停止するものである。

したがって、プラズマの生成状態により、エンジン１００に不都合な運転状態を抑制することができ、正常な状態でエンジン１００を運転することができる。

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。

上述の実施形態においては、検出したプラズマ電流の電流値によりプラズマの生成状態の異常を判定したが、プラズマ電流の周波数、検出期間内の電流値の積分値、検出タイミング、あるいは電流値のピーク位置などにより異常を判定するものであってもよい。これらの判定要素を用いる場合においても、上述の実施形態と同じに、所定の範囲をはずれる場合に異常と判定するものであってよい。

また、上述の実施形態においては、プラズマの生成状態が下限を下回っている場合に、点火時期を変更する制御を実行したが、燃焼状態が良好になるような制御であれば、点火時期の制御に限定するものではない。例えば、排気ガスの一部を吸入空気に混合する排気ガス還流制御を実施しているエンジンにあっては、その排気ガス還流量つまりＥＧＲガス量を減量する制御がこのプラズマの生成状態に対して適用できる。同様にして、供給（噴射）する燃料を増量する、あるいは燃料の供給を中止する燃料カットを実行する場合の下限負荷を大きく設定するなどであってよい。

さらに、マイクロ波は、上述のように、点火プラグ１８を使用して燃焼室３０に放射する以外に、専用のアンテナ、特にはモノポール型アンテナを燃焼室３０内に突出するようにして設け、そのアンテナにプラズマ・イオン電流検出系４０を接続してプラズマ電流及びイオン電流を検出するように構成するものであってよい。

加えて、上述の実施形態にあって、燃焼状態を検出するためのイオン電流を検出する際のイオン電流の信号雑音比を上げるために、イオン電流を検出する間は、マイクロ波の放射を短時間停止するものであってよい。

さらにまた、上述の実施形態においては、特にマイクロ波の周波数を限定しなかったが、好ましくは、マイクロ波の周波数は、水蒸気の吸収波帯とするものが挙げられる。このような周波数に設定することで、混合気内にもこれらの成分があるので、プラズマの生成効率を高くすることができる。仮に、マイクロ波が漏洩した場合であっても、これらの成分は大気中に多量に含まれるものであるので、マイクロ波が減衰しやすく、漏洩したマイクロ波の拡散を抑えることが可能である。

高圧交流発生装置としては、上述のようなマグネトロンに代えて、進行波管などであってよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。

加えて、アンテナとしては、ビーム型のアンテナや、モノポール型のアンテナであってもよい。

さらには、点火プラグ１８の中心電極をアンテナとして機能させて、高周波給電部とする場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。

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活用することができる。

本発明の実施形態の概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の具体例の制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

６…電子制御装置
７…中央演算処理装置
８…記憶装置
９…入力インターフェース
１１…出力インターフェースと、
５０…マグネトロン
５１…制御回路
５２…高圧交流発生装置
１８…点火プラグ
４０…イオン電流検出系
３０…燃焼室

Claims (4)

1. 電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の運転状態により電磁波の出力を制御する火花点火式内燃機関の運転制御方法であって、
   点火プラグによりプラズマ生成時に燃焼室内に流れる電流を検出し、
   検出した電流に基づいてプラズマの生成状態を判定する火花点火式内燃機関の運転制御方法。
2. プラズマの生成状態が異常であると判定した場合に、運転状態を安全側に切り替える請求項１記載の火花点火式内燃機関の運転制御方法。
3. プラズマの生成状態が意図する状態を下回って異常であると判定した場合に、電磁波の出力を大にする請求項２記載の火花点火式内燃機関の運転制御方法。
4. プラズマの生成状態が意図する状態を上回って異常であると判定した場合に、電磁波の出力を停止する請求項２記載の火花点火式内燃機関の運転制御方法。

Images