JP2012154218A - 火花点火式内燃機関の火花点火制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】着火後における燃焼の拡大の促進を図ることができる火花点火式内燃機関の火花点火制御方法を提供する。
【解決手段】点火プラグを備え、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火花点火制御方法であって、電界を、正極性の脈流により生成する。
【選択図】図３

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火花点火式内燃機関の火花点火制御方法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することが試みられている。この場合、自動車に搭載される内燃機関では、点火プラグの中心電極に負極性の高電圧を印加して火花放電を実施しているので、脈流電圧も火花放電に対応させて負極性の電圧としている。

しかしながら、火花放電で生成される生成物と脈流電圧による電界とが反応して生成されるプラズマには、ＯＨラジカル等のラジカルやオゾンとともにプラスイオンが含まれている。このため、着火後は、点火プラグの中心及び接地電極近傍にラジカルやプラスイオンが電界に引き付けられることになり、形成される火炎核の成長が鈍くなるとともに、プラズマの拡散が阻害されて、燃焼が燃え広がることも抑えられることになる。このため、プラズマによる燃焼促進効果が十分に発揮されないことがある。

特開２０１０‐１０１１８２号公報

そこで本発明は以上の点に着目し、着火後における燃焼の拡大の促進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火花点火制御方法は、点火プラグを備え、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火花点火制御方法であって、電界を、正極性の脈流により生成することを特徴とする。

このような構成によれば、正極性の脈流により電界を生成するので、火花放電時に生成される生成物であるイオンなどが点火プラグ近傍に集まることが回避される。その結果、着火後において、正極性の電界と生成物とが反発しあい、燃焼を広がらせる。

本発明における脈流とは、流れる方向が一定で、電流及び／又は電圧の大きさに周期的又は不定期的な変動を伴った電流及び／又は電圧をいう。具体的には、正極性の脈流は、高周波を半波又は全波整流して、平滑することなく得られる正電圧のみを用いる。あるいは、正極性の脈流は、高周波の波高値と同値の直流正電圧を高周波に加算つまり高周波を波高値と同値の直流正電圧でバイアスして得るものである。

本発明は、以上説明したような構成であり、火花放電時の生成物を点火プラグ近傍に留めることが抑えられるので、燃焼の広がりを促進させることができ、燃費を向上させることができる。

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。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

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、第一気筒の点火プラグ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にアノードが接続されるダイオード２３と、昇圧トランス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正極性の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、昇圧トランス２５と、昇圧トランス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）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、誘導放電の開始を判定した場合に、高周波電圧が点火プラグ１に印加されるように、電子制御装置２９により制御される。

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は昇圧トランス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。

ダイオード２３は、高周波電圧発生装置２６が発生する高周波（交流）に対しては整流手段として機能するとともに、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２３は、そのカソードが対応する二次側巻線２１ａに接続されるので、前記正極性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。

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、火花放電における誘導放電の開始か否かを判定し、誘導放電の開始を判定した場合に正極性の高周波電圧を出力する点火制御プログラムを内蔵する。図３に点火制御プログラムの制御手順を示す。

図３において、ステップＳ１では、誘導放電の開始か否かを判定する。具体的には、火花点火が始まると、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。この場合、点火コイル２１の出力電圧である二次電圧を計測しておき、二次電圧が容量放電時の最大電圧以下で、かつ平均的な誘導放電電圧より高い電圧に設定された判定電圧以下となったことを検出した場合に、誘導放電の開始を判定する。判定電圧は、二次電圧が容量放電時の最大放電電圧を上回った後に二次電圧が降下し、誘導放電における放電電圧の近傍にまで二次電圧が降下したことを判定するものでる。したがって、判定した誘導放電の開始のタイミングは、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。

ステップＳ１において、誘導放電の開始を判定した場合には、ステップＳ２において、スイッチング手段２８を制御して、高周波電圧を半波整流した脈流を点火プラグ１に印加して、正極性の電界を生成する。

このような構成であれば、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。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、高周波電圧を半波整流した脈流を点火プラグ１に印加する。

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、ダイオード２３により半波整流されて正極性の脈流（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４２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。生成された正極性の電界と、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。

具体的には、点火プラグ１による火花放電の結果生み出される生成物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。

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から遠ざかりながら振動、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。

このように、容量放電による着火後に生成されるプラスイオンやラジカルなどが正極性の電界と反応して反発することで、プラスイオンなどの分散が助長されて燃焼の広がりを促進させることができる。この結果、燃費を向上させることができる。

また、プラズマ中のプラスイオンやラジカルなどは、正極性の電界中で分散する方向に移動するので、燃焼の広がりを阻害する要因を含むものではなく、燃焼が広がる過程において電界の生成を停止する必要がなくなる。このため、ピストンが上死点を越した後に脈流の印加を停止するタイミングを高精度に制御する必要がなく、そのような制御のプログラムを簡素化することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

中心電極とは別に、正極性の電界生成のために、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、高周波電圧発生装置２６に代えて、高周波の周波数と同等の周期で変化する正極性の脈流を出力する電圧発生装置であってもよい。この場合、上記実施形態におけるダイオード２３は、整流手段としては機能せず、逆流防止のみの機能となる。したがって、電界を生成する際に、電圧発生装置が出力する正極性の高電圧の脈流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、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２３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。

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
２６…高周波電圧発生装置
２９…電子制御装置
１００…エンジン

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２３と、昇圧トランス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正極性の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、昇圧トランス２５と、昇圧トランス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）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、誘導放電の開始を判定した場合に、高周波電圧が点火プラグ１に印加されるように、電子制御装置２９により制御される。

Claims (1)

1. 点火プラグを備え、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火花点火制御方法であって、
   電界を、正極性の脈流により生成する火花点火式内燃機関の火花点火制御方法。

Images