JP2014043841A - 火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する態様の内燃機関において、アンテナ近傍でのプレイグニッションの発生を抑止する。
【解決手段】内燃機関の運転領域及びアンテナから放射する電界の出力の大きさに基づき、燃焼室内に露出するアンテナの部分の温度を推測するとともに、その温度が燃焼室内にてプレイグニッションを発生させない温度に抑制されるよう、アンテナから放射する電界の出力の上限を設定することとした。
【選択図】図３

Description

本発明は、火花点火式内燃機関を制御する制御装置に関する。

火花点火式内燃機関に実装されている点火装置では、イグナイタが消弧した際に点火コイルに発生する高電圧を点火プラグの中心電極に印加することで、点火プラグの中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起、点火する。

近時では、気筒の燃焼室内にある混合気に確実に着火させ、安定した火炎を得ることができるようにするために、電界発生回路、換言すればマグネトロンが出力するマイクロ波若しくは高周波発振器が出力する高周波を燃焼室内に放射する「アクティブ着火」法が試みられている（例えば、下記特許文献１または２を参照）。アクティブ着火法によれば、中心電極と接地電極との間の空間にマイクロ波若しくは高周波電界が形成され、この電界中で発生したプラズマが成長して、火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きな火炎核を生成することができる。

アンテナに印加するマイクロ波若しくは高周波の電力は、内燃機関の要求負荷に応じて増減させる（例えば、下記特許文献３を参照）。内燃機関を高負荷運転する際には、気筒に充填される混合気の密度が増大するのに対応して、より多くの量のプラズマを生成することが好ましいと考えられるからである。

燃焼室内に露出しているアンテナは、燃料が燃焼して発生する燃焼ガスから受熱するのみならず、マイクロ波若しくは高周波が印加されることによっても発熱する。アクティブ着火を反復継続すると、アンテナの先端部がその耐熱限界温度を超えるほどに高温化して、当該アンテナ、特に導電体のアンテナ本体を被覆している絶縁体（誘電体）を損傷する懸念がある。そこで、従前より、アンテナの温度が耐熱限界温度以下に抑制されるよう、アンテナに印加するマイクロ波若しくは高周波の電力を制御している（例えば、下記特許文献４を参照）。

特開２０１１−１５９４７７号公報 特開２０１１−０６４１６２号公報 特開２０１１−００７１５７号公報 特開２０１１−００７１６２号公報

しかし、アンテナの温度を耐熱限界温度以下に抑制したとしても、あらゆる問題が未然に防がれるわけではない。アンテナにおける燃焼室内に露出している部分の温度が非常に高いと、その近傍の領域にて、混合気が火花放電及びマイクロ波若しくは高周波の印加の前に自着火して爆発するプレイグニッションが惹起されるおそれがある。

本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであって、アクティブ着火を行う内燃機関における、アンテナ近傍でのプレイグニッションの発生を抑止することを所期の目的としている。

本発明では、気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、内燃機関の運転領域及びアンテナから放射する電界の出力の大きさに基づき、燃焼室内に露出するアンテナの部分の温度を推測するとともに、その温度が燃焼室内にてプレイグニッションを発生させない温度に抑制されるよう、アンテナから放射する電界の出力の上限を設定することを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、アクティブ着火を行う内燃機関において、アンテナ近傍でのプレイグニッションの発生を抑止することを所期の目的としている。

本発明の一実施形態における内燃機関、電界発生装置及びその制御装置の構成を示す図。 同実施形態における内燃機関の気筒の燃焼室内に電磁波を放射するアンテナの例を示す図。 同実施形態の制御装置が実施する処理の手順例を示すフロー図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。この内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。

本実施形態の内燃機関には、点火の際に気筒１の燃焼室内でプラズマを生成する目的で、燃焼室内に電界を発生させる電磁波放射部を付帯させている。本実施形態における電磁波放射部は、燃焼室内にマイクロ波電界を印可するものであり、車載バッテリを電源としてマイクロ波を発生させるマグネトロン１４及びこれを制御する制御回路１５と、マグネトロン１４が発生させたマイクロ波を伝送する伝送回路１６と、伝送回路１６に接続したアンテナ１７とを要素とする。

制御回路１５は、本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０から出力される制御信号ｌを受け、この制御信号ｌに基づいてマグネトロン１４が発振するマイクロ波の電力及びその発振時期を制御する。

伝送回路１６は、マイクロ波を伝搬させることのできる導波管や同軸ケーブル等を主体とする。この伝送回路１６には、アイソレータ１８及びパワーメータ１９が付随している。アイソレータ１８は、アンテナ１７からの反射波を吸収してマグネトロン１４を安定的に動作させるための保護機器であり、マグネトロン１４とアンテナ１７との間に介在している。

アイソレータ１８は、サーキュレータとダミーロードとからなる。サーキュレータは、マグネトロン１４から発振される入射電力と、アンテナ１７から返ってくる反射電力とを、導波管または同軸ケーブル等のＴ字部（または、分岐部）に設けたフェライト及び磁界の作用により分離する。そして、入射電量を殆ど損失なしにアンテナ１７へと伝送する一方、反射電力をダミーロード側へと導入する。ダミーロードは、例えば反射電力を水等により吸収し熱として排出する水冷式のものである。ダミーロードは、導波管または同軸ケーブル等の終端に接続しており、余剰のマイクロ波エネルギを効率よく吸収する。

パワーメータ１９は、マグネトロン１４からアンテナ１７に向けて伝搬する入射電力と、アンテナ１７から返ってくる反射電力とを分けて検出する。パワーメータ１９は、導波管または同軸ケーブル等の中途に挿入してある。このパワーメータ１９は、方向性結合器、同軸無反射終端器、マイクロ波用ダイオードであるクリスタルマウント、電流計、同軸ケーブル等を用いて構成される既知のものである。本実施形態では、双方向性結合器の進行波検出ポート及び反射波検出ポートの各々にクリスタルマウント、同軸無反射終端器及び電流計を接続することで入射電力及び反射電力の双方を同時に読み取り可能な態様のパワーメータ１９を採用している。

アンテナ１７は、その一部が気筒１の燃焼室内に露出し、マグネトロン１４から発振され伝送回路１６を伝搬するマイクロ波を気筒１の燃焼室内に放射する。アンテナ１７は、例えば図２に示すように、燃焼室の天井の点火プラグ１３付近に配設したモノポール型アンテナであり、先端部を燃焼室内に表出させ、その他の部分を絶縁体により被覆してある。アンテナ１７の先端面は、燃焼室の内面と略面一とする。尤も、アンテナ１７の形状及び配設位置は一意には限定されない。

電界発生装置であるマグネトロン１４が発振する高周波電圧は、通常、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前または火花放電開始直後に、アンテナ１７に印加する。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の周囲の空間に、マイクロ波電界が形成される。そして、マイクロ波電界と火花放電との相互作用を通じて、プラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きなラジカルプラズマ火炎核を生成する。

上記の自走、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ラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ち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、火炎核も大きくなるのである。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。

内燃機関の気筒１に吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

気筒１から排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｆ、マグネトロン１４から発される入射波の強度及びアンテナ１７から返ってくる反射波の強度を検出するパワーメータ１９から出力される入射波信号ｇ及び反射波信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、マグネトロン１４の制御回路１５に対してマイクロ波発生指令信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、燃焼室内に電界を発生させるか否かやその電界の強度といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

図３に、アクティブ着火を行うにあたりＥＣＵ０が実施する処理の手順例を示す。本実施形態のＥＣＵ０は、そのときの内燃機関の運転領域、及びアンテナ１７から放射する電界の出力の大きさに基づいて、燃焼室内に露出するアンテナ１７の部分の温度を推測する（ステップＳ１）。

内燃機関の運転領域は、エンジン回転数及びサージタンク３３内の吸気圧（または、気筒１に充填される吸気量、アクセル開度）によって規定される。エンジン回転数が高いほど、また吸気圧が高いほど、気筒１に対して噴射され燃焼される単位時間あたりの燃料の量が多くなり、アンテナ１７が受熱する熱量が増す。

加えて、一般的に、サージタンク内３３の吸気圧（または、気筒１に充填される吸気量、アクセル開度）が高いほど、気筒１の燃焼室内のアンテナ１７に印加するマイクロ波の電力（または、電圧、電流）を大きくすることから、アンテナ１７の発熱量が増す。

ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域及びアンテナ１７に印加する電力の大きさを基に、単位時間あたりのアンテナ１７の受熱量及び発熱量を演算する。受熱量及び発熱量の演算式は、運転領域を示すパラメータ［エンジン回転数，吸気圧］及びアンテナ１７への印加電力の関数となる。そして、現時点及び過去の一定期間について、演算した単位時間あたりの受熱量及び発熱量を時間積分（積算）して、燃焼室内に露出しているアンテナ１７の部分の現在の温度を推算する。

並びに、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域を基に、燃焼室内で混合気のプレイグニッションを引き起こさないような、アンテナ１７の温度の上限値を設定する（ステップＳ２）。このアンテナ１７の上限温度は、アンテナ１７の耐熱限界よりも低い。ＥＣＵ０のメモリには予め、運転領域を示すパラメータと、アンテナ１７の上限温度との関係を規定したマップデータが格納されている。当該マップは、実験的にまたは適合により求められているものである。ＥＣＵ０は、現在の運転領域のパラメータをキーとして当該マップを検索し、アンテナ１７の上限温度の値を知得する。

その上で、ＥＣＵ０は、推算されるアンテナ１７の温度が上限温度を超えないように、アンテナ１７に印加する電力（または、電圧、電流）、換言すればアンテナ１７から放射する電界の出力の大きさを制限する。

原則として、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の運転領域を基に、アンテナ１７に印加する電力の大きさを決定する（ステップＳ３）。ＥＣＵ０のメモリには予め、運転領域を示すパラメータと、アンテナ１７に印加するべき電力の大きさとの関係を規定したマップデータが格納されている。当該マップもまた、実験的にまたは適合により求められているものである。ＥＣＵ０は、現在の運転領域のパラメータをキーとして当該マップを検索し、アンテナ１７に印加するべき電力を知得する。

そして、現在のアンテナ１７の推定温度が上限温度よりも一定以上低い場合には（ステップＳ４）、マップから知得した大きさの電力をアンテナ１７に印加する（ステップＳ５）。

これに対し、現在のアンテナ１７の推定温度が上限温度に近く、または上限温度以上となっている場合には、マップから知得した大きさの電力を印加するのではなく、マップから知得した電力よりも小さい電力をアンテナ１７に印加するようにする（ステップＳ６）。このときの電力の減少量は、アンテナ１７の推定温度と上限温度との差分に応じて決定することが望ましい。即ち、推定温度が上限温度未満の場合には、推定温度が上限温度に近いほど電力を減少させる。推定温度が上限温度以上の場合には、推定温度が上限温度から乖離しているほど電力を減少させる。要するに、アンテナ１７の推定温度が高いほど、アンテナ１７に印加する電力を小さくするのである。

なお、現在のアンテナ１７の推定温度が上限温度に極めて近い、または上限温度以上となっている場合に、アクティブ着火を一時的に停止する、つまりは点火に際してアンテナ１７からマイクロ波を放射しないようにしてもよい。これは、アンテナ１７から放射する電界の出力の上限を０に設定することと等しい。

本実施形態では、気筒１の燃焼室内に臨むアンテナ１７を介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、内燃機関の運転領域及びアンテナ１７から放射する電界の出力の大きさに基づき、燃焼室内に露出するアンテナ１７の部分の温度を推測するとともに、その温度が燃焼室内にてプレイグニッションを発生させない温度に抑制されるよう、アンテナ１７から放射する電界の出力の上限を設定することを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、アクティブ着火を行う内燃機関において、アンテナ１７近傍でのプレイグニッションの発生を好適に抑止できる。併せて、アンテナ１７の損傷をも未然に防ぐことができ、ハードウェアの信頼性が向上する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、内燃機関の気筒の燃焼室内でプラズマを生成する目的で電界を発生させる電界発生装置は、マグネトロンには限定されない。電界発生装置として、高周波の交流電圧を出力してアンテナに印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を出力してアンテナに印加する脈流電圧発生回路等を採用しても構わない。

電界発生装置として脈流電圧発生回路を採用する場合、当該脈流電圧発生回路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、その波形も任意であってよい。脈流電圧は、基準電圧（０Ｖであることがある）から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧、交流電圧を半波整流した電圧、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等をおしなべて含む。電界発生装置が発振する高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜３０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。

上記実施形態における内燃機関は、点火プラグと別に電解放射用のアンテナを実装しているものであったが、電界発生装置が出力するマイクロ波若しくは高周波を点火プラグの中心電極に印加し、その中心電極から気筒の燃焼室内に電界を放射する、即ち点火プラグの中心電極をアンテナとして利用するようにしてもよい。

その他各部の具体的構成は、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。

本発明は、車両に搭載される内燃機関の制御に利用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１７…アンテナ

Claims (1)

1. 気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、
   内燃機関の運転領域及びアンテナから放射する電界の出力の大きさに基づき、燃焼室内に露出するアンテナの部分の温度を推測するとともに、その温度が燃焼室内にてプレイグニッションを発生させない温度に抑制されるよう、アンテナから放射する電界の出力の上限を設定することを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置。

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