JP2012112348A - Spark ignition method for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
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点火とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する内燃機関の火花点火方法に関するものである。 The present invention relates to a spark ignition method for an internal combustion engine in which an electric field generated in a combustion chamber reacts with spark ignition by a spark plug to generate plasma to ignite an air-fuel mixture.
従来、例えば自動車用の内燃機関では、点火プラグの中心電極と接地電極との間に高電圧を印加し、両電極間のギャップに生成する火花放電により、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おいて例えば、火花エネルギが不足して火炎核ができにくい場合が生じたりする。 Conventionally, for example, in an internal combustion engine for an automobile, a high voltage is applied between a center electrode and a ground electrode of an ignition plug, and a spark discharge generated in a gap between both electrodes causes an air-fuel mixture in a combustion chamber at each ignition timing. It is igniting. In such ignition by the spark plug, for example, there may be a case where the spark energy is insufficient and it is difficult to form a flame kernel.
このような火花点火時の不具合を解決するために例えば、特許文献1に記載のもののように、燃焼室内にプラズマを生成し、そのプラズマと火花放電とを反応させることにより、火炎核を確実に生成するようにしたものが知られている。この特許文献1のものでは、点火プラグを介して供給するマイクロ波により、火花放電の直前あるいは火花放電とほぼ同時に高周波電界を発生させ、火花放電とプラズマとを反応させて、より強力な火炎核を生成している。
In order to solve such a problem at the time of spark ignition, for example, like the one described in
特許文献1では、高周波電界を生成するためにマイクロ波を使用しているが、マイクロ波を出力する装置は、構成が比較的複雑である。また、マイクロ波が内燃機関から漏れた場合には、人体に対する影響力も小さくない。このような点を考慮して、装置構成がマイクロ波発振装置に比較して複雑ではなく、マイクロ波より扱いが容易な、マイクロ波より周波数が低い高周波をマイクロ波に代えて使用することが考えられている。
In
ところで、火花放電は一般的に、負の高電圧を中心電極に印加して実施される。この負の高電圧による火花放電に対応して、プラズマを生成するための電界についても負極性にしている。これにより、点火プラグの電極近傍、したがってその周囲は負に帯電した状態になる。この一方で、火炎核、燃焼ガスあるいは燃焼雰囲気は正に帯電している。 By the way, spark discharge is generally performed by applying a negative high voltage to the center electrode. Corresponding to this negative high voltage spark discharge, the electric field for generating plasma is also made negative. As a result, the vicinity of the electrode of the spark plug, and therefore the periphery thereof, is negatively charged. On the other hand, the flame kernel, combustion gas, or combustion atmosphere is positively charged.
このような帯電状態に伴って、火炎核や燃焼雰囲気が点火プラグの電極近傍に留まろうとする現象が観測される。このことは、火炎核等が拡大する、つまり火炎核の体積が増加することを阻害することになる。このため、着火性を良好にして、燃焼効率の向上を図ることが困難になることがある。 With such a charged state, a phenomenon in which the flame kernel and the combustion atmosphere try to stay near the electrode of the spark plug is observed. This hinders the expansion of the flame kernel, that is, the increase in the volume of the flame kernel. For this reason, it may be difficult to improve the combustion efficiency by improving the ignitability.
そこで本発明は以上の点に着目し、火花点火式の内燃機関において、プラズマを利用して点火する場合の、着火性及び燃焼効率の向上を図ることを目的としている。 Accordingly, the present invention focuses on the above points and aims to improve ignitability and combustion efficiency when spark-ignited internal combustion engine is ignited using plasma.
すなわち、本発明の内燃機関の火花点火方法は、点火プラグの中心電極と接地電極との間に点火コイルを介して印加される高電圧により生じる火花放電と、燃焼室内に生成される電界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火花点火方法であって、1サイクルにおける圧縮上死点以降は火花放電と反応させていた電界を遮断することを特徴とする。 That is, the spark ignition method for an internal combustion engine according to the present invention includes a spark discharge generated by a high voltage applied via an ignition coil between a center electrode and a ground electrode of a spark plug, and an electric field generated in the combustion chamber. A spark ignition method for a spark ignition internal combustion engine that reacts to generate plasma to ignite an air-fuel mixture, characterized in that the electric field reacted with the spark discharge after the compression top dead center in one cycle is cut off. To do.
このような構成によれば、圧縮上死点以降の行程、すなわち膨張行程において電界が遮断されることで、火花放電と電界との反応で生じるプラズマを用いて生成した火炎核が、点火プラグ周辺に留まる可能性が低くなる。この結果、火炎核の拡大を助長することができ、燃焼効率を向上させることが可能になる。 According to such a configuration, the flame kernel generated using the plasma generated by the reaction between the spark discharge and the electric field is cut off around the spark plug by the electric field being cut off in the stroke after the compression top dead center, that is, the expansion stroke. The possibility of staying in is reduced. As a result, the expansion of the flame kernel can be promoted, and the combustion efficiency can be improved.
本発明は、以上説明したような構成であり、火花放電と電界とを反応させてプラズマを生成し、そのプラズマの存在する中で混合気に着火し、火炎核の生成後、圧縮上死点以降に電界を遮断することで、火炎核の拡大を助長することができ、燃焼効率を向上させることができる。 The present invention has a configuration as described above, generates a plasma by reacting a spark discharge and an electric field, ignites an air-fuel mixture in the presence of the plasma, and after generating a flame nucleus, a compression top dead center. By interrupting the electric field thereafter, the expansion of the flame kernel can be promoted, and the combustion efficiency can be improved.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、点火プラグ1を備える火花点火式内燃機関である二気筒のエンジン100の一気筒の構成を示すものである。このエンジン100は、吸気ポート2の開口3及び排気ポート4の開口5が、燃焼室6の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ1を中心として対向配置されて、1気筒当たりそれぞれ2ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン100は、シリンダブロック7に取り付けられ、燃焼室6の天井部分を形成しているシリンダヘッド8には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト9、10が取り付けてある。シリンダヘッド8の吸気ポート2は、カムシャフト9が回転することにより往復作動する吸気弁11により、また排気ポート4は、カムシャフト10が回転することにより往復作動する排気弁12によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室6の天井部分には、点火プラグ1が取り付けられてあり、吸気ポート2には燃焼室6へ供給する混合気を生成するための燃料噴射弁を備える。なお、エンジン100それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。
FIG. 1 shows a configuration of one cylinder of a two-
この実施形態の点火プラグ1は、導電材料からなるハウジング13と、ハウジング13内に絶縁されて取り付けられる中心電極14と、中心電極14から火花放電が発生する間隙14だけ離れてハウジング13の下端に設けられる接地電極16と、イグナイタと点火コイルとが構造上一体にされてなるイグナイタ付点火コイル(以下、点火コイルと称する)21、22が電気的に接続される接続端子17とを基本的に備える。点火プラグ1は、この分野でよく知られたものを用いるものであってよい。
The
この点火プラグ1に接続される点火装置20は、図2に示すように、第一気筒の点火プラグ1に接続される第一点火コイル21と、第二気筒の点火プラグ1に接続される第二点火コイル22と、第一点火コイル21の二次側巻線21aにアノードが接続される第一ダイオード23と、第二点火コイル22の二次側巻線22aにアノードが接続される第二ダイオード24と、昇圧トランスであるタップ付変圧器25をその出力段に備えて火花点火時の所定時期に、燃焼室6内、特には点火プラグ1の中心電極14を中心とする領域に電界を生成するための高周波電圧発生装置26とを備えている。電界生成手段である高周波電圧発生装置26は、タップ付変圧器25と、タップ付変圧器25に接続される発生装置本体27と、高周波に基づく電圧を点火プラグ1に印加する時期(タイミング)及び印加を停止する時期を制御するためのスイッチング手段28とを備えている。スイッチング手段28は、点火プラグ1における放電電圧の最高電圧の発生位置あるいは発生時刻(以下、ピーク時刻と称する)及び各気筒における1サイクルの圧縮上死点を検出する電子制御装置29により制御される。
As shown in FIG. 2, the
高周波電圧発生装置26の発生装置本体27は例えば、車両用のバッテリの電圧例えば約12V(ボルト)を昇圧回路であるDC‐DCコンバータにて300〜500Vに昇圧し、昇圧された直流をHブリッジ回路にて周波数が約200kHz〜600kHzの交流に変化させる構成であり、高周波電圧発生装置26はタップ付変圧器25により約4kVp‐p〜8kVp‐pに昇圧した高周波を出力する構成である。出力される高周波の電圧は、後述する火花放電における誘導放電を持続させるに十分な、言い換えれば誘導放電を減衰させない電圧(以下、維持電圧と称する)以上に設定する。すなわち、高周波の電圧が維持電圧より小さいと、生成される電界の強度が低くなり、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、蛇行しなくなる可能性が生じ、後述するプラズマによる燃焼の促進が低下することがある。
The generator
タップ付変圧器25は、巻数を二分割する位置にタップの形成されている。したがって、二次側巻線25aは、同一電圧で、かつ位相が180度異なる二つの交流を出力する。タップ付変圧器25の二次側巻線25aが出力手段を構成する。このタップ付変圧器25の二次側巻線25aのタップ25bは、グランド(接地線)27に接続してあり、二次側巻線25aの一方の端部25cは第一ダイオード23のカソードに接続され、その他方の端部25dは第二ダイオード24のカソードに接続される。高周波電圧発生装置26は、前述のような周波数の交流を出力するものであれば、タップ付変圧器25以外の構成は特にこの実施形態に限られるものではない。
The
第一及び第二ダイオード23、24は、高周波電圧発生装置26が発生する交流に対しては整流手段として機能するとともに、第一及び第二点火コイル21、22が発生する火花放電のための高電圧に対しては、逆流防止ダイオードとして機能する。すなわち、この実施形態にあっては、燃焼行程において点火を実施する際には、点火コイル21(22)の二次側巻線21a(22a)から、点火プラグ1Aの中心電極14に負の高電圧が印加されるものである。したがって、第一及び第二ダイオード23、24は、そのそれぞれのアノードが対応する二次側巻線21a、22aに接続されるので、前記負の高電圧が高周波電圧発生装置26に逆流することを防止する。
The first and
電子制御装置29は、エンジン100に取り付けられる各種のセンサから出力される信号に基づいてエンジン100の運転状態を制御する運転制御プログラムを内蔵するとともに、火花点火に関しては、点火プラグ1A(1B)の中心電極14と接地電極15との間に点火コイル21(22)を介して印加される高電圧により生じる火花放電と、燃焼室6内に生成される電界とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火するに際して、1サイクルにおける圧縮上死点以降は火花放電と反応させていた電界を遮断するように、高周波電圧発生装置26を制御する火花点火制御プログラムを内蔵している。この火花点火制御プログラムは点火時期毎に実行される。図3に、その制御手順を示す。
The
まず火花点火に際して、電子制御装置29から出力される点火信号が点火コイル21(22)のイグナイタに入力されると、点火コイル21(22)の二次側巻線21a(22a)から、点火プラグ1A(1B)の中心電極14に負の高電圧が印加されて、火花放電が始まる。火花放電が始まると、まず、容量放電による容量火花が生じ、その後に誘導放電による誘導火花が生じる。そして、誘導放電が始まる時点に対応して、スイッチング手段28を閉じて、高周波電圧を点火プラグ1A(1B)に印加する。なお、印加する高周波電圧は、誘導放電を維持するのに要する電圧以上に設定するものである。
First, upon spark ignition, when an ignition signal output from the
この場合に、点火コイル21(22)の出力電圧である二次電圧を計測しておき、計測にて得られた二次電圧が所定電圧以下の場合には高周波電圧の印加、言い換えれば電界の生成を禁止する。つまり、平均的な容量放電における放電電圧の最大値(以下、ピーク電圧と称する)の約60%〜70%の電圧に設定する所定電圧を、計測にて得られた二次電圧が上回った後に電界を生成するためのタイミングを判定するための判定電圧以下になった場合にのみ、電界の形成を開始する。 In this case, a secondary voltage that is an output voltage of the ignition coil 21 (22) is measured, and when the secondary voltage obtained by the measurement is equal to or lower than a predetermined voltage, a high-frequency voltage is applied, in other words, an electric field. Prohibit generation. That is, after the secondary voltage obtained by measurement exceeds a predetermined voltage set to about 60% to 70% of the maximum value of the discharge voltage (hereinafter referred to as peak voltage) in average capacity discharge. The formation of the electric field is started only when the voltage is lower than the determination voltage for determining the timing for generating the electric field.
判定電圧は、二次電圧が所定電圧を上回ってピーク電圧を発現した後に二次電圧が降下したことを判定するもので、所定電圧より低い値に設定する。したがってこのタイミングは、誘導放電に至らない容量放電中である場合もあるが、二次電圧が判定電圧以下であるので、容量放電の電圧に高周波電圧が重畳しても過大な電圧にはならない。それゆえ、火花放電が誘導放電になるまでスイッチング手段28をオンするタイミングを遅延させる必要はない。 The determination voltage is used to determine that the secondary voltage has dropped after the secondary voltage has exceeded the predetermined voltage and developed the peak voltage, and is set to a value lower than the predetermined voltage. Therefore, this timing may be during capacitive discharge that does not lead to induction discharge, but since the secondary voltage is equal to or lower than the determination voltage, even if a high-frequency voltage is superimposed on the voltage of capacitive discharge, the voltage does not become excessive. Therefore, it is not necessary to delay the timing for turning on the switching means 28 until the spark discharge becomes an induction discharge.
このようにして、点火プラグ1A(1B)に高周波電圧を印加した後は、印加した高周波電圧を停止する、つまり電界の生成を遮断する制御を、図3に示すフローチャートにより実施する。 Thus, after applying the high frequency voltage to the spark plug 1A (1B), the applied high frequency voltage is stopped, that is, the control for blocking the generation of the electric field is performed according to the flowchart shown in FIG.
まず、ステップS1では、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程で構成される1サイクルにおける圧縮上死点であるか否かを判定する。この判定は、エンジン100の運転を制御するために取り付けられるクランク角センサが出力するクランク角信号に基づいて圧縮上死点を判定するものである。点火時期以降に圧縮上死点に達していないと判定した場合は、再度クランク角信号に基づいて圧縮上死点を判定する。
First, in step S1, it is determined whether or not it is a compression top dead center in one cycle composed of an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke. This determination is to determine the compression top dead center based on a crank angle signal output from a crank angle sensor attached to control the operation of the
ステップS2では、エンジン100の運転の進行が1サイクルの圧縮上死点であるので、スイッチング手段28を開く制御を実行して高周波電圧の印加を中止する。これにより、電界の生成を遮断する。
In step S2, since the progress of the operation of the
以上の構成において、この実施形態では、高周波電圧発生装置26からの高周波が、第一及び第二ダイオード23、24により半波整流されて負極性の脈流(電圧)となって中心電極14に印加され、脈流(電流)が中心電極14と接地電極15との間に流れることによって火花放電時の容量放電後半から誘導放電直前乃至誘導放電開始時点に中心電極14と接地電極15との間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極14と接地電極15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。
In the above configuration, in this embodiment, the high frequency from the high
すなわち、点火に際しては、点火プラグ1A(1B)に点火コイル21(22)により、圧縮上死点より前のタイミング、つまり進角された点火時期において火花放電を発生させると、その火花放電に伴って点火プラグ1A(1B)の間隙18間に、上述のタイミングで高周波電圧を印加することで脈流(電流)が流れることによって電界が発生する。これにより、火花放電(主として誘導放電)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6内の混合気を急速に燃焼させる構成である。
In other words, upon ignition, if spark discharge is generated in the spark plug 1A (1B) by the ignition coil 21 (22) at the timing before the compression top dead center, that is, at the advanced ignition timing, the spark discharge is accompanied. Thus, an electric field is generated by applying a high-frequency voltage between the spark plugs 1A (1B) at the above-described timing to cause a pulsating current (current) to flow. Thus, the air-fuel mixture in the
具体的には、点火プラグ1A(1B)による火花放電が電界中でプラズマになる。この結果、生成した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、所定空間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。 Specifically, spark discharge by the spark plug 1A (1B) becomes plasma in an electric field. As a result, by igniting the air-fuel mixture with the generated plasma, the flame nuclei at the beginning of flame propagation combustion become larger than ignition with only spark discharge, and a large amount of radicals are generated in the predetermined space. Combustion is promoted.
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、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。 This is because the flow of electrons due to the spark discharge and the ions and radicals generated by the spark discharge are vibrated and meandered by the influence of the electric field, resulting in a longer path length and a dramatic increase in the number of collisions with surrounding water and nitrogen molecules. This is due to the increase. Water molecules and nitrogen molecules that have been struck by ions and radicals become OH radicals and N radicals, and the surrounding gas that has been struck by ions and radicals is ionized, in other words, a plasma state. The ignition region for the air-fuel mixture dramatically increases, and the flame kernel that starts the flame propagation combustion also increases.
この場合に、1サイクルの圧縮上死点を判断した場合はそれ以降における高周波電圧の印加を中止するので、上述した火炎核が点火プラグ1A(1B)の中心電極14近傍に留められることがない。したがって、火炎核が中心電極14に向かって引きつけられることなく、その体積が拡大し、燃焼が筒内全体に拡大する。これにより、燃焼状態が促進されるので、燃焼効率が高くなり、燃費を向上させることができる。
In this case, when the compression top dead center of one cycle is determined, the application of the high frequency voltage thereafter is stopped, so that the above-described flame kernel is not kept near the
これに先立って、火花放電における容量放電が成功しておらず失火が生じる場合には、電界を形成するための高周波電圧の出力を禁止し、容量放電が成功している場合にのみ電界を生成するようにしているので、確実に点火を実施することができる。また、点火できない場合に電界の生成を禁止しているので、高周波電圧発生装置26が点火装置20中に生じる回り回路に流れる高周波により破損されることを防ぐことができる。
Prior to this, if the capacitive discharge in the spark discharge is not successful and misfire occurs, the output of the high-frequency voltage to form the electric field is prohibited, and the electric field is generated only when the capacitive discharge is successful. Therefore, ignition can be surely performed. In addition, since the generation of an electric field is prohibited when ignition cannot be performed, the high
加えて、この実施形態にあっては、容量放電におけるピーク電圧発生の後に電界の生成を実施することにより、容量放電時の電圧に電界を生成するための脈流の電圧が重畳することがないため、容量放電が不安定になることを防止することができる。しかも、両電圧の重畳により点火プラグ1に過剰な高電圧が印加されることを抑制することができるので、点火プラグ1の耐久性を保つことができる。しかも、誘導放電中に電界を生成しているので、プラズマによる火炎核の成長を促進させて燃焼効率を上げることができる。これに加えて、電界を生成するための高周波の電圧を、誘導放電の維持電圧以上に設定しているので、電界生成の確実性を高くすることができ、プラズマを安定させることができる。
In addition, in this embodiment, the pulsating voltage for generating the electric field is not superimposed on the voltage at the time of the capacitive discharge by generating the electric field after the generation of the peak voltage in the capacitive discharge. Therefore, it is possible to prevent the capacitive discharge from becoming unstable. In addition, since it is possible to suppress an excessively high voltage from being applied to the
さらに、この実施形態においては、タップ付変圧器25を高周波電圧発生装置26の出力段に用いることにより、各気筒に対してほぼ同じ電圧の交流を出力することができる。このため、このタップ付変圧器25によりあらかじめ出力する高周波の電圧を高く設定しておくことにより、第一及び第二ダイオード23、24における電圧降下分を補償することができ、適切な密度のプラズマを生成することができる。
Furthermore, in this embodiment, by using the
又、一つの高周波電圧発生装置26を各気筒の点火プラグ1A、1Bにダイオード23、24を介して接続しているが、脈流(電流)が点火プラグ1A、1Bの中心電極14と接地電極15との間の間隙18に流れるのは、火花放電により間隙間抵抗値が下がる場合のみである。したがって、燃焼行程にない気筒、例えば点火が第一気筒で実行され、第二気筒は火花放電がない圧縮行程にある場合、第二気筒では脈流(電流)は流れないため、交流は消費されない。このため、高周波電圧発生装置26の消費電力は大きくならず、高周波電圧発生装置26における消費電力の増加を抑制することができる。
One high-
また、上記においては、火花放電時に点火プラグ1A、1Bの中心電極14に印加される高電圧が負電圧であるものを説明したが、正電圧であってもよい。この場合、この正電圧に脈流(電圧)の極性を合わせるために、第一ダイオード23及び第二ダイオード24はカソードを点火プラグ1A、1Bの中心電極14に接続する。
In the above description, the high voltage applied to the
また、エンジンの気筒数は、上述の実施形態に限定されるものではない。 Further, the number of cylinders of the engine is not limited to the above-described embodiment.
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。 In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
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の内燃機関に適用するものが挙げられる。 As an application example of the present invention, there is one that is applied to a spark ignition type internal combustion engine that uses gasoline or liquefied natural gas as fuel and that requires spark discharge by an ignition plug for ignition.
1…点火プラグ
21…点火コイル
100…エンジン
29…電子制御装置
26…高周波電圧発生装置
20…点火装置
DESCRIPTION OF
Claims (1)
1サイクルにおける圧縮上死点以降は火花放電と反応させていた電界を遮断する内燃機関の火花点火方法。 A spark discharge generated by a high voltage applied via the ignition coil between the center electrode and the ground electrode of the spark plug reacts with an electric field generated in the combustion chamber to generate plasma to ignite the mixture. A spark ignition method for an internal combustion engine,
A spark ignition method for an internal combustion engine that cuts off an electric field that has been reacted with spark discharge after compression top dead center in one cycle.
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