JP2012154217A - 火花点火式内燃機関の点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼促進のために点火プラグに印加する電界生成のための電圧を、高周波を整流することなく生成することによるエネルギ消費の低減を図ることができる火花点火式内燃機関の点火装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の点火プラグに電気的に接続され、点火プラグに接続される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時に生成される生成物と電界生成手段により点火プラグを介して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点火装置であって、電界生成手段が、高周波を出力する高周波発生回路と、高周波発生回路が出力する高周波を少なくとも高周波の波高値だけ高周波をバイアスするバイアス回路とを備えてなる。
【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により生成される生成物とを反応させてプラズマを生成して燃焼を促進する点火方式に用いられる火花点火式内燃機関の点火装置に関するものである。

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。

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。

ところで、特許文献１のもののようにマイクロ波を用いる場合例えば、マグネトロンを使用することになり、高周波電界を発生させるための装置が複雑になる傾向があった。このような事情に鑑み、高周波電界をマイクロ波より周波数の低い高周波を用いることが考えられている。この場合例えば、高周波電圧をダイオードで半波整流して得られる脈動電圧を点火プラグに印加し、そのダイオードを、火花放電のための高電圧が高周波回路に流入することを防止するダイオードと共用するものである。

しかしながら、上述したダイオードは、高圧の高周波を整流することと、火花放電のための高電圧による逆流を防止することとを行っているので、順電力損失と逆電力損失との合計損失により熱損失が大きくなる。このために、ダイオードの耐久性が低下し、通常使用時より熱によるダイオードの不具合が多発した。

これに対して、火花放電のために点火プラグに印加される高電圧の極性と一致させることなく、つまりダイオードを用いることなく点火プラグの中心及び接地電極周辺にアンテナから放射された高周波により電界を生成する場合、火花放電における誘導放電電圧とは逆極性の電界も生成される。このため、高周波電圧による電界で火花放電による生成物が駆動されなければならないが、誘導放電電圧の極性とは反対極性ある電界により誘導放電電圧が相殺され、エネルギの損失が発生していた。したがって、無駄な高周波を入力することになり、電界を生成するために無駄なエネルギを消費するものとなった。

特開２０１０‐１０１１８２号公報

そこで本発明は以上の点に着目し、燃焼促進のために点火プラグに印加する電界生成のための電圧を、高周波を整流することなく生成することによるエネルギ消費の低減を図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点火装置は、内燃機関の点火プラグに電気的に接続され、点火プラグに接続される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時に生成される生成物と電界生成手段により点火プラグを介して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点火装置であって、電界生成手段が、高周波を出力する高周波発生回路と、高周波発生回路が出力する高周波を少なくとも高周波の波高値だけ高周波をバイアスするバイアス回路とを備えてなることを特徴とする。

このような構成によれば、高周波発生回路が出力する高周波を、バイアス回路によりバイアスすることにより、ダイオードで整流する場合に比べて、低い電圧にすることが可能である。したがって、電界生成手段におけるエネルギ損失を低減することが可能になる。加えて、従来のように、高周波を半波整流する必要がなくなるために、整流用のダイオードにおいて生じていた熱損失を低減させることができる。

本発明は、以上説明したような構成であり、電界生成手段におけるエネルギ損失を低減することができ、従来における整流用のダイオードにおいて生じていた熱損失をなくすことができる。

本発明の実施形態を適用するエンジンの要部を示す断面図。 同実施形態における点火装置の電気回路図。 同実施形態の変形例における点火装置の電気回路図。

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。

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１５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。

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、点火プラグ１に接続される点火コイル２１と、点火コイル２１の二次側巻線２１ａにカソードが接続されるダイオード２２と、昇圧トランス２３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電界生成手段２４とを備えている。電界生成手段２４は、昇圧トランス２３と、昇圧トランス２３に接続される高周波発生回路２５と、高周波電圧を少なくともその波高値だけ高周波をバイアスするバイアス回路２６とを備えている。図中、４０は、車体と同電位にされるグランドである。

高周波発生回路２５は例えば、車両用のバッテリ２７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２８にて３００〜５００Ｖに昇圧し、昇圧された直流をＨブリッジ回路２９にて周波数が約２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚの交流に変化させる構成である。

バイアス回路２６は、ＤＣ‐ＤＣコンバータ２８の出力電圧を分圧する抵抗２６ａ、２６ｂにより構成される。バイアス回路２６は、Ｈブリッジ回路２９の基準電圧側の出力端に接続されてＨブリッジ回路２９から出力される高周波を、その波高値だけバイアスする。具体的には例えば、Ｈブリッジ回路２９から約２８０Ｖｐ‐ｐの高周波が出力される場合、バイアス回路２６は、１４０Ｖの正極性の直流電圧を出力する。これにより、昇圧トランス２３には、０Ｖから２８０Ｖの間で周期的に変化する正極性の直流電圧（脈流電圧）が入力するものとなる。この結果、昇圧トランス２３したがって高周波電圧発生装置２５は最小値が０Ｖ、最大値が２．８ｋＶで周期的に変化する正極性の直流電圧を出力する。

なお、電界生成手段２４が出力する正極性の直流電圧は、上述の例に限定されるものではなく、例えば２ｋＶ〜８ｋＶの範囲のものであってよい。

ダイオード２２は、点火コイル２１が発生する火花放電のための高電圧に対して、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の二次側巻線２１ａから、点火プラグ１の中心電極１４に正極性の高電圧が印加されるものである。したがって、ダイオード２２は、そのカソードが二次側巻線２１ａに接続され、そのアノードが昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａの一方端に接続されるので、前記正極性の高電圧が電界生成手段２４に逆流することを防止する。

電子制御装置３０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、点火コイル２１により高電圧を点火プラグ１に印加し、その際の火花放電により生成される生成物に対して電界生成手段２４によりバイアスされた高周期で変化する直流電圧を印加して正極性の電界を生成するように、点火装置２０を制御する火花点火プログラムを内蔵している。

火花点火に際して、電子制御装置３０から出力される点火信号が点火コイル２１のイグナイタに入力されると、点火コイル２１の二次側巻線２１ａから、点火プラグ１の中心電極１４に正極性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。

誘導放電の開始とほぼ同時に、電界生成手段２４から高周波をバイアスした正極性の脈流高電圧を中心電極１４に印加する。これによって、中心電極１４を包囲するように正極性の電界が生成される。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による生成物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。

すなわち、点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル２１により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１の間隙１８間に正極性の脈流（電流）が流れることによって正極性の電界が発生し、火花放電（主として誘導放電）と正極性の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。

具体的には、点火プラグ１による火花放電時に生成される生成物が正極性の電界と反応することによりプラズマになる。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。

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生成物であるプラスイオンやラジカルが、正極性の電界の影響を受けて点火プラグ１の中心電極１４近傍から遠ざかりながら燃焼室６内全域に向かって振動、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。プラス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、プラス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。

したがって、正極性の電界を生成する際に、ダイオード２２を高周波の半波整流用に使用する必要がないので、高周波をバイアスした脈流高電圧をダイオード順方向電圧降下分だけ低くすることができ、正極性の電界生成に要するエネルギを低減することができる。加えて、ダイオード２２が発する熱が低くなるので、熱損失を低減することができる。

なお、ダイオード２２の接続位置は、上述した以外に、昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａとグランド４０との間であってもよい。すなわち図３に示すように、ダイオード１２２は、そのカソードを昇圧トランスの二次側巻線２３ａの他方端に接続し、そのアノードをグランド４０に接続する。このようにダイオード１２２を接続することによって、上記実施形態と同様に、火花放電のための高電圧に対して逆流防止ダイオードとして機能する。しかも、昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａに脈流が流れる際にダイオード１２２にかかる電圧が低く、上記実施形態に比べてダイオード１２２における電力消費を小さくすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態においては、高周波をバイアスした正極性の直流電圧を出力する電界生成手段を説明したが、火花点火のための高電圧が負極性である場合は、電界生成手段が出力する直流電圧は前記高電圧に対応させて負極性とする。この場合、バイアス回路は、負極性の直流電圧を出力する直流電源、又は上述した抵抗による分圧回路である。

電界生成手段が出力する脈流の電圧波形は、特に限定されるものではなく、サイン波形、三角波形、方形波形及び鋸歯状波形の何れであってもよい。

中心電極とは別に、電界生成のために、燃焼室内に高周波を放射するアンテナをシリンダヘッドに備えるものであってもよい。アンテナは、可能な限り中心電極及び接地電極に近い位置に設けるものが好ましい。

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。

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適用するものが挙げられる。

１…点火プラグ
２０…点火装置
２１…点火コイル
２４…電界生成手段
２５…高周波発生回路
２６…バイアス回路
３０…電子制御装置
１００…エンジン

Claims (1)

1. 内燃機関の点火プラグに電気的に接続され、点火プラグに接続される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時に生成される生成物と電界生成手段により点火プラグを介して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点火装置であって、
   電界生成手段が、高周波を出力する高周波発生回路と、高周波発生回路が出力する高周波を少なくとも高周波の波高値だけ高周波をバイアスするバイアス回路とを備えてなる火花点火式内燃機関の点火装置。

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