JP2011007156A - 火花点火式内燃機関の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマを使用して混合気の着火を改善する火花点火式内燃機関にあって、例えば点火プラグのくすぶりなどにより、回転変動を生じる場合、燃焼状態の良好な気筒に対して、例えばトルクを下げるように点火時期を調整する制御を行っているが、燃焼状態の良好な気筒のトルクを調整するため、プラズマを利用している特性を十分に活用し得ない場合が生じた。
【解決手段】燃焼室を備える複数の気筒を備え、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運転状態により電界の強度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、各気筒の燃焼状態を検出し、検出した燃焼状態の最も低下している気筒に対する電界の強度を強くする。
【選択図】図２

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、特許文献１のようにプラズマを使用して混合気の着火を改善した場合にあっても、例えば吸入空気の充填バラツキや経時劣化による燃焼バラツキなどにより、回転変動を生じる場合がある。このように、回転変動が生じた場合、一般的には、バラツキを抑えるため燃焼状態の良好な気筒に対して、例えばトルクを下げるように点火時期を調整する制御を行っている。

ところが、このような構成のものであると、プラズマを利用して安定した火炎を得られるようにしているにもかかわらず、燃焼状態の低下している気筒の状態に合わせるように、燃焼状態の良好な気筒のトルクを調整するため、プラズマを利用している特性を十分に活用し得ない場合が生じた。

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、燃焼室を備える複数の気筒を備え、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界の強度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、各気筒の燃焼状態を検出し、検出した燃焼状態の最も低下している気筒に対する電界の強度を強くすることを特徴とする。

このような構成によれば、燃焼状態の最も低下している気筒に対して電界の強度を強くすることにより、その気筒のプラズマの生成状態が改善される。その結果、その気筒の燃焼状態が改善されて、トルクが残る気筒のトルクに近づくものとなる。それゆえ、気筒間のトルクのばらつきが解消されて、回転変動を収拾することが可能になる。

上述した、電界を生成させる電界生成手段としては、各種の周波数の電磁波を発生させる電磁波発生装置、燃焼室内に配置される一対の電極に交流電圧を印加する交流電圧発生装置、及び同じく一対の電極に脈流電圧を印加する脈流電圧発生装置などが挙げられる。

電磁波発生装置が発生する電磁波としては、マイクロ波、各種無線通信例えばアマチュア無線において使用される周波数を含む高周波、及びマイクロ波より波長の短いレーザなどが挙げられる。なお、レーザの場合は、他の電磁波発生装置とは構成の異なるレーザ発振装置を使用する。

交流電圧発生装置が出力する交流電圧は、上述の高周波と等しい周波数のものである。

脈流電圧発生装置は、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、その直流電圧の波形は任意であってよい。すなわち、本願における脈流電圧は、０ボルトを含む基準となる電圧から、一定周期で一定電圧まで変化するパルス電圧や、一定周期で順次増減する電圧まで変化する、例えば交流電圧を半波整流したような波形の直流電圧、さらには交流に直流バイアスをかけた直流電圧などを含むものである。この場合において、一定周期は、上述の高周波における周波数に対応するものであってよい。なお、波形は、上述したものに限定されるものではなく、正弦波、鋸歯状波、三角波などであってもよい。

本発明は、以上説明したような構成であり、燃焼状態の最も低下している気筒に対して電界の強度を強くすることにより、その気筒のプラズマの生成状態を改善することができ、その結果、その気筒の燃焼状態が改善されて、トルクが残る気筒のトルクに近づき、気筒間のトルクのばらつきが解消されて、回転変動を収拾することができる。

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。 本発明の実施形態において使用できる電磁波発生装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態において使用できる交流電圧発生装置の構成を示すブロック図。 図４におけるＨブリッジ回路の一例を示す回路図。

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、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との間にはイオン電流測定用回路２５が接続されている。点火プラグ１８、バイアス用電源２４及びイオン電流測定用回路２５によりイオン電流検出系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にイオン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の電極間に流れたイオン電流は、イオン電流測定用回路２５により測定される。このようなバイアス用電源２４とイオン電流測定用回路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とを備えてなる電界生成手段であるマイクロ波発生装置５２から出力される。制御回路５１には、電子制御装置６から出力されるマイクロ波発生信号ｋ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、それぞれの気筒に対応して設けられて各点火プラグ１８に伝送される連続可変減衰器とで構成される。したがって、中心電極がマイクロ波を放射するアンテナとして機能する。制御回路５１は、入力されるマイクロ波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、各気筒の燃焼状態を検出し、検出した燃焼状態の最も低下している気筒に対する電界の強度を強くするためにマイクロ波の出力を大に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、通常の運転状態ではマイクロ波発生装置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電界と点火プラグ１８による火花放電とを反応させてプラズマを生成し、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電界が形成される。したがって、中心電極及びマイクロ波発生装置５２は、電界生成手段を構成するものである。

点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル（図示しない）により火花放電を発生させて、火花放電開始とほぼ同時あるいは火花放電開始直後あるいは火花放電開始直前にマイクロ波により電界を発生させ、火花点火と電界とを反応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。なお、火花放電開始直後とは、遅くとも火花放電を構成する誘導放電の開始時が好ましい。

具体的には、点火プラグ１８による火花放電が電界中でプラズマになり、当該プラズマにて混合気に着火を行うことで火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核が火花放電のみの点火に比べて大きくなるとともに燃焼室３０内に大量のラジカルが発生することで燃焼が促進される。

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、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核も大きくなるものである。

この結果、火花放電と電界とが反応し発生したプラズマ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よりエンジン１００を運転している間に、各気筒において混合気の燃焼時つまり燃焼行程において燃焼室３０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各気筒の燃焼状態を検出して、エンジン１００のトルク変動を抑制するものである。次に、図２に示すフローチャートにより、この実施形態を説明する。

図２において、ステップＳ１において、点火順に、各気筒のイオン電流を検出する。イオン電流は、燃焼の開始直後に点火プラグ１８の中心電極により検出されるもので、燃焼状態が良好であると、ピストンが上死点に達した直後の時間に最大電流値となり、その後は減少するものである。したがって、イオン電流のこのような特性を検出して、燃焼状態を把握することができる。

４気筒において、イオン電流の検出が完了すると、ステップＳ２では、検出したイオン電流を比較して、その中のイオン電流値が最小であった気筒を判定する。すなわち、イオン電流値が最小であることは、そのイオン電流値を検出した気筒における燃焼状態が、他の気筒と比較して低下していることを示すものである。

ステップＳ２において、燃焼状態が最も低下している気筒に対する電界の強度を強くするべくマイクロ波の出力を増大する。この実施形態においては、伝送経路５３に連続可変減衰器を設けているので、対象となる気筒の出力が増大するように、その気筒の連続可変減衰器を制御する。つまり、連続可変減衰器それぞれは、初期状態において同一の減衰率に設定してある。エンジン１００の運転の開始後、燃焼状態が最小となった気筒の連続可変減衰器の減衰率を減少させる。この結果、連続可変減衰器においてマイクロ波の出力が減衰される量あるいは率が小さくなり、実質的に、連続可変減衰器の調整以前よりも大なる出力のマイクロ波が点火プラグ１８の中心電極に伝送される。

以上の構成において、エンジン１００を運転している場合に、トルク変動が生じると、イオン電流の特性に基づいて各気筒の燃焼状態を判定し、最も燃焼状態が低下している気筒に対して、マイクロ波の出力を増大するように制御するものである。

したがって、各気筒間でばらつきのある燃焼状態の内、最も燃焼状態が低下している気筒の対するマイクロ波の出力が大きくなり電界の強度が強くなることにより、プラズマの生成状態が改善され、その気筒の燃焼状態を向上させることができる。このように、燃焼状態が最も低下している気筒の燃焼状態を向上させることにより、各気筒の燃焼状態が、最も燃焼状態がよい気筒に近づき、気筒間のトルクの差が小さくなるため、エンジン１００全体としてのトルクを落とすことなくトルク変動を抑制することができる。

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、燃焼状態をイオン電流の電流値により判定したが、検出したイオン電流が閾値を上回っている期間の時間あるいはクランク角度により判定するものや、イオン電流の測定を開始した後の所定期間内におけるイオン電流値の積分値により検出するものなどであってもよい。このような、イオン電流の特性から燃焼状態をイオン電流似より判定することは、この分野で知られている方法を用いるものであってよい。

また、燃焼状態を検出するものとしては、それぞれの気筒に圧力センサを取り付け、各気筒における燃焼行程の気筒内圧力を比較して行うものであってよい。すなわち良好な燃焼状態の気筒にあっては、気筒内圧力が高くなり、緩慢な燃焼状態つまり燃焼状態が低下している気筒にあっては気筒内圧力が低くなることから、それぞれの圧力センサから出力される出力信号を比較することで燃焼状態が最も低下している気筒を判定し得るものである。

さらに、エンジン１００の回転変動を検出して、燃焼状態が最も低下している気筒を判定するものであってもよい。すなわち、エンジン１００に回転変動が発生している場合、つまり気筒毎にトルクが異なっている場合、燃焼状態が良好な気筒にあってはトルクが大きいためにクランク軸の回転角速度は大きくなる。これに対して、燃焼状態が最も低下している気筒にあっては、トルクも良好な気筒に対して小さくなるので、回転角速度は小さくなる。したがって、各気筒の燃焼行程毎にその時の回転角速度を比較することにより、最も小さい回転角速度の気筒を、燃焼状態が最も低下している気筒と判定することができる。

加えて、上述の実施形態においては、連続可変減衰器を用いて、各気筒に伝送するマイクロ波の出力を調整したが、伝送経路にそれぞれの気筒に対応する導波管を備え、それぞれの導波管を可変長とすることによりマイクロ波の出力を調整するものであってもよい。すなわち、伝送経路を構成する導波管それぞれが、その長さを調整することにより、導波管のインピーダンスが変更されて、マイクロ波の出力を調整するものである。導波管の管長は、例えばステッピングモータを用いて調整するものである。それぞれの導波管は、燃焼室に連通するもので、燃焼室に開口される端部は、誘電体により閉鎖してある。

マイクロ波を燃焼室３０に放射するためのアンテナとしては、燃焼室３０に突出して設けるモノポール型アンテナあるいはホーン型アンテナなどであってもよい。

又、マイクロ波発生装置としては、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。

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。

一方、電磁波発生装置における電磁波の周波数についてはマイクロ波の周波数帯に限られるものではなく、点火プラグ１８の火花放電部分に電界を生成しプラズマを生成させることが可能な周波数であればよい。したがって、電磁波発生装置としては、例えば図３に示すような構成のものが好適である。

図３に示す電磁波発生装置６０は、例えば３００ＭＨｚの電磁波を発振する送信機６１と、送信機６１の出力端に同軸ケーブル６２で接続されるマッチングチューナ（又はアンテナチューナ）６３と、マッチングチューナ６３の出力端に不平衡ケーブル６４で接続されるとともにイグナイタ６５にも接続されるミキサ６６とを備えている。この例にあっては、点火プラグ１８の中心電極１８ａが電磁波を放射するアンテナとして機能するもので、したがって、ミキサ６６は、マッチングチューナ６３を介して送信機６１が出力する電磁波を点火プラグ１８の中心電極１８ａに印加するとともに、イグナイタ６５からの点火信号を中心電極１８ａに印加する。ミキサ６６は、送信機６１からの電磁波とイグナイタ６５からの点火信号を混合するものである。このような電磁波発生装置６０にあっては、電磁波の周波数を変化させることにより電磁波の出力を増減させる、あるいは周波数を一定にしておいて電磁波の出力を増減させる。

この例では、送信機６１からの電磁波により、中心電極１８ａと接地電極１８ｂとの間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極１８ａと接地電極１８ｂとの間に発生する火花放電とが反応してプラズマが生成され、混合気に着火するものである。

また、電磁波発生装置としては、レーザ発振装置が挙げられる。レーザ発振装置は、レーザダイオードと、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）とシリンドリカルレンズを含むレンズアセンブリとを組み合わせたものが使用できる。レーザ発振装置から出力されるレーザは、光ファイバを介して燃焼室に送られる。この場合、光ファイバは、点火プラグのハウジングの中を通過してその先端が中心電極と接地電極との間隙に向けて取り付けられる。レーザは、火花放電に先立って、火花放電が生じる位置に照射されるのが好ましい。

光ファイバから射出されるレーザは、前述の間隙に集中して、間隙近傍に電界を集中させる。したがって、レーザの指向性により電界を所期の位置に生成することができ、プラズマを混合気の着火に最も好適な位置に生成することができる。

以上に説明した電磁波発生装置に代えて、交流電圧発生装置を使用するものであってもよい。図４に示す交流電圧発生装置７０は、車両用のバッテリ７１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４２にて３００〜５００Ｖに昇圧し、その後、図５に例示するＨブリッジ回路７３にて周波数が約１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚ、好ましくは１００ＭＨｚの交流に変化させ、さらに昇圧トランス７４により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧する構成である。

このような交流電圧発生装置７０において、例えば点火プラグ１８の中心電極１８ａと接地電極１８ｂとを、電界を生成するための一対の電極とする場合、上述の電磁波発生装置６０と同様に、交流電圧の出力端部となる昇圧トランス７４とイグナイタと点火プラグ１８との間にはミキサが配置される。そして、中心電極１８ａと接地電極１８ｂとの間に高圧の交流電圧を印加することで、放電域である点火プラグ１８の間隙に上記周波数帯であって極性が交互に入れ替わる電界が生成される。したがって、生成された電界と火花放電とが反応してプラズマが点火プラグ１８周辺に生成され、混合気を着火するものである。なお、この一対の電極を中心電極１８ａと接地電極１８ｂとで構成するものの場合に、接地電極１８ｂに代えて、シリンダヘッド、シリンダブロックあるいはピストンで代用するものであってもよい。

一対の電極は、上述した点火プラグ１８の中心電極１８ａと接地電極１８ｂとを使用する以外に、点火プラグ１８を挟む位置に電極を配置する構成でもよい。すなわち、所定の距離離して、対向して一対の電極を配置する。この場合に、点火プラグ１８がその電極間に位置するように、一対の電極は配置する。この場合においても、電極の一方を、接地電極、シリンダヘッド、シリンダブロックあるいはピストンで代用するものであってもよい。

なお、このような交流電圧発生装置に代えて、脈流発生装置を使用するものであってもよい。つまり、一対の電極間に交流を印加する代わりに、パルス電圧などの脈流電圧を印加することにより、一対の電極間に電界を生成するものである。脈流発生装置は、交流電圧発生装置と同様に、バッテリから供給される直流をＤＣ？ＤＣコンバータで昇圧し、高圧の直流を所定周期で断続することにより脈流とし、その脈流を昇圧トランスにより昇圧して一対の電極に印加する構成である。脈流発生装置の場合、Ｈブリッジ回路に代えて周期的にオン・オフするスイッチング回路を用いる。このような脈流発生回路を使用することによっても、一対の電極間に電界を生成することができ、上述の実施形態同様の効果を得ることができる。

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。

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
３０…燃焼室

Claims (1)

1. 燃焼室を備える複数の気筒を備え、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運転状態により電界の強度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、
   各気筒の燃焼状態を検出し、
   検出した燃焼状態の最も低下している気筒に対する電界の強度を強くする火花点火式内燃機関の運転制御方法。

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