JP2014047642A - 火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナのクリーニング時における沿面放電の発生を有効に抑えることができる火花点火式内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】火花点火式内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、燃焼室７内に燃料が存在せず且つ燃焼室７内の圧力が所定値以上の場合にアンテナ９から電界を発生させてプラズマの生成を行う。その結果、高周波電界発生時に燃焼室７内が負圧となっている場合に起こる沿面放電の発生を有効に回避することができる。これにより、沿面放電がアンテナ９に衝撃を与えることを有効に回避してアンテナ９の耐久性を有効に維持し、継続的に好適にプラズマを生成し得る有効なアンテナ９のクリーニングに資する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより混合気に着火する火花点火式内燃機関の制御装置に関するものである。

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アンテナを介して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（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載のものは、高周波電界の形成を効率の高い燃焼に寄与させるべく、燃料カット中には高周波電界の形成を中止するようにしたものである。

ところで、上述したような火花点火式内燃機関では、継続的な使用により、アンテナが徐々に汚れていくことが知られている。アンテナが汚れる原因としては、混合気の燃焼時に発生するカーボンが排出されずに燃焼室内に残留し、このカーボンがアンテナの表面に付着していくことが挙げられる。具体的には点火時に生ずるカーボンがアンテナ表面に付着することで、アンテナとグランド間の耐電圧が低減してしまい、その結果電界発生時に強い沿面放電が発生する。そして係る汚れを落とすためには、プラズマが有する酸化作用を利用する方策が考えられる。すなわち、混合気が燃焼室内に存在しない燃料カット時にプラズマを発生させることでアンテナに付着しているカーボンが酸化され二酸化炭素とし、排気とともに排出するというものである。

しかし燃料カット時の点火タイミングにてプラズマを発生させると、燃料カット時にはスロットルバルブが閉じられているために燃焼室内は負圧となっており、負圧時にプラズマを発生させるべく高周波を放射すると燃焼室内には強い沿面電流が流れてしまうという不具合が起こり得る。この強い沿面放電がアンテナ表面の誘電体に強い衝撃を与えることで、アンテナの耐久性を低下させ、ひいては損傷させてしまうという不具合も考え得る。

特開２０１１−７１５４号公報

本発明は、このような不具合に着目したものであり、アンテナのクリーニング時における沿面放電の発生を有効に抑えることができる火花点火式内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係る火花点火式内燃機関の制御装置は、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の制御装置であって、燃焼室内に燃料が存在せず且つ燃焼室内の圧力が所定値以上の場合にアンテナから電界を発生させてプラズマの生成を行うことを特徴とする。

ここで、「燃焼室内に燃料が存在せず」とは、燃焼室内で燃焼して内燃機関の出力を発生させる意図で燃焼室内に投入されている燃料が存在していないことを意味する。燃焼済みのガス中に含まれる、内燃機関の出力に寄与しない燃え残りの残留燃料成分等は、燃焼室内に存在していてもよい。また、「燃焼室内の圧力が所定値以上」とは、燃焼室内の気圧の実測値のみを意味するものではなく、吸気系の状態や内燃機関の工程、さらにはピストンの具体的な位置等から予測される圧力を指すものも含まれる。

このようなものであれば、燃焼室内が負圧となっている場合に起こる沿面放電の発生を有効に回避することができる。これにより、沿面放電がアンテナに衝撃を与えることを有効に回避してアンテナの耐久性を有効に維持し、継続的に好適にプラズマを生成し得る火花点火式内燃機関の制御装置を提供することを実現することが可能となる。

本発明によれば、アンテナのクリーニング時における沿面放電の発生を有効に抑えることができる火花点火式内燃機関の制御装置を提供することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び電界発生装置の概略構成を示す図。 同実施形態における火花点火装置の回路図。 同実施形態における電界発生装置の具体的構成を説明する図。 同実施形態における電界発生装置の要素であるＨブリッジの回路図。 同実施形態に係るフローチャート。 本発明の変形例としての火花点火装置の回路図。 同変形例としての電界発生装置の概略構成を示す図。

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。

本実施形態における内燃機関は、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７の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４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。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

本実施形態の内燃機関には、気筒１の燃焼室７内に電界を発生させる電界発生装置６０を付帯させている。この電界発生装置６０は、燃焼室７内でプラズマを生成する目的のものである。電界発生装置６０の例としては、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路等を挙げることができる。そして、燃焼室７の天井部分には、点火プラグ１２及びプラズマを生成するためのアンテナ９が取り付けてある。この実施形態におけるアンテナ９は、ホーン型アンテナで、燃焼室７の天井の点火プラグ１２の近傍位置に取り付けられている。アンテナ９は、ホーン形状をしており、燃焼室７に面する先端部分はセラミックスなどの誘電体２７により塞がれており、電界発生装置６０に図示しない導波管を介して接続されている。また本実施形態において使用しうるアンテナ９としては図示のホーン型アンテナのみならず、モノポール型のアンテナ９としても良い。この場合、モノポール型アンテナは、電界発生装置６０とは同軸ケーブルにより電気的に接続されるものとなる。

図３、図４に示すように、高周波を発生させる電界発生装置６０は、車載バッテリを電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路を含む。具体的には、バッテリが提供する約１２Ｖの直流電圧を例えば１００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流を交流に変換するＨブリッジ回路６２と、Ｈブリッジ回路６２が出力する交流をさらに高い電圧に昇圧する昇圧トランス６３とを構成要素とする。

電界発生装置６０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、点火プラグ１２近傍に配置されたアンテナ９に印加する。これにより、燃焼室７内における、点火プラグ１２の中心電極と接地電極とに近接した空間に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中で火花放電を行うことによりプラズマが発生し、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７内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。

因みに、電界発生装置６０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６０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。

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。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、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ｅ、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ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、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）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、電界発生装置６０に対して電界（即ち、高周波）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７内に電界を発生させるか否かやその電界発生のタイミング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。しかして、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。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、スタータモータ（セルモータ、図示せず）に制御信号ｏを入力し、スタータモータのピニオンギアをドライブプレート外周のリングギアに噛合させて機関を回転させるクランキングを行う。クランキングは、初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が冷却水温等に応じて定まる閾値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

しかして本実施形態に係る火花点火式内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、燃焼室７内に燃料が存在せず且つ燃焼室７内の圧力が所定値以上の場合にアンテナ９から電界を発生させてプラズマの生成を行うことを特徴としている。

以下、本実施形態に係るアンテナ９のクリーニングに係る制御について図５のフローチャートに示して説明する。

まず、内燃機関の運転中において、アンテナ９のクリーニングを行うべき時期にあるかどうかを判断する（ステップＳ１）。この、クリーニングを行うべき時期とは、アンテナ９の汚れを直接的に検出することにより決定するものであっても、或いは予め定められた基準に対し運転履歴や運転条件が合致するか否かにより決定するものであっても良い。前者の例としては、例えば内燃機関がイオン電流を検出することにより燃焼状態を判別し得るものである場合には、正常な燃焼が行われているにも拘わらず十分なイオン電流の値が検出されていないときを、クリーニングを行うべき時期と判断する態様が挙げられる。このような場合はアンテナ９近傍に位置する点火プラグ１２の汚れに起因するものであるため、アンテナ９もまた汚れている可能性が高いからである。一方後者の例としては、例えばドライバが運転を開始してから終了するまでの１トリップにつき１回必ずクリーニングを行う旨の基準を設けたり、高負荷運転が連続して続いたりするような運転履歴に基づいたりしてクリーニングを行うべき時期を判断する場合や、高負荷運転の後の燃料カット時には必ず行う態様や或いは数回に１回クリーニングを行うという態様を挙げることができる。高負荷運転の直後の燃料カット時にクリーニングを行う態様では、高負荷運転時は混合気の空燃比がリッチとなっている場合が多く燃焼室７内にカーボンが発生し易い条件である上、その直後の燃料カット時ではカーボンがアンテナ９表面に付着して間もない為、カーボンがアンテナ９表面に固着し難くクリーニングの効果が得易いからである。

次に、上記の何れかの条件を満たすことによりアンテナ９のクリーニングを行うべき時期であると判断されると、燃焼室７内に混合気が存在しているか否か(ステップＳ２)並びに、燃焼室７内の圧力が所定値以上であるか否か（ステップＳ３）の判断を行う。

この判断は、直接的にインジェクタ１１による燃料噴射や図示しない筒内圧センサの挙動からの判断に限られない。例えば予め決められた所定のタイミングにて行うことができる。その一つ目の例としては、燃料カット開始直後が挙げられる。燃焼カットが開始されるとスロットルバルブが閉じられるため、時間が経つにつれて燃焼室７内の圧力が吸気管内圧力の低下とともに下がり始める。そこで吸気管内の圧力が一定以上負圧となる前の所定のタイミングを設定しておき、係るタイミングをクリーニングのタイミングと決定する態様を挙げることができる。また、二つ目の例としては、燃料カットが行われているか否かを問わず、排気行程の後期にクリーニングを行う方策も考えられる。この場合、燃焼室７内には勿論燃料が存在せず、しかもピストンも上昇しているので燃焼室７内の圧力が十分に保たれているからである。このように、燃焼室７内に燃料が存在せず且つピストンが上死点側にあるような内燃機関の所定の行程を、クリーニングを行うタイミングと決めるようにしても良い。

そして、上述したような、ステップＳ２及びステップＳ３を満たすタイミングにてアンテナ９のクリーニングを行うべく高周波電界を発生させることにより（ステップＳ４）、アンテナ９のクリーニングを、沿面放電を回避しつつ有効に行うことができる。

以上のように本実施形態では、高周波電界発生時に燃焼室７内が負圧となっている場合に起こる沿面放電の発生を有効に回避することができる。これにより、沿面放電がアンテナ９に衝撃を与えることを有効に回避してアンテナ９の耐久性を有効に維持し、継続的に好適にプラズマを生成し得る有効なアンテナ９のクリーニングに資する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、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。

例えば、上記実施形態では点火プラグ１２とは別体のアンテナ９を用いてプラズマを発生させる態様を開示したが勿論、点火プラグ１２自体をアンテナ９として機能させる構成を適用しても良い。すなわち図６、図７に本実施形態の変形例として示すように、電界発生装置６０をミキサ６６を介して点火プラグ１２に接続している態様としても良い。

この場合は図７に示すように、電界発生装置６０の出力端には、第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５を介設することが好ましい。同図に示すように、第一ダイオード６４は、カソードが昇圧トランス６３の二次側巻線の信号ラインに接続し、アノードが点火コイル１４との結節点であるミキサ６６に接続している。また第二ダイオード６５は、アノードが昇圧トランス６３の二次側巻線のグランドラインに接続し、カソードが接地している。すなわち、これら第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５には、点火タイミングにおいて点火コイル１４の二次側から流れ込む負の高圧パルス電流を遮る役割を担わせている。

さらに、上記実施形態や変形例に開示した態様の他、例えば、内燃機関の気筒１の燃焼室７内でプラズマを生成する目的で燃焼室７内に電界を発生させる電界発生装置６０は、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路に限定されない。電界発生装置６０として、マイクロ波発生装置等を採用しても構わない。

マイクロ波発生装置は、車載バッテリを電源とするマグネトロン及びこれを制御する制御回路を要素とする。マイクロ波発生装置は、導波管や同軸ケーブル等を介して点火プラグ１２に電気的に接続しており、マグネトロンが出力するマイクロ波を点火プラグ１２に印加し、その中心電極から気筒１の燃焼室７内に放射することで、上記実施形態同様の作用効果を得ることが可能である。

マグネトロンによるマイクロ波は、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印加する。この際、ＥＣＵ０は、マグネトロンを制御する制御回路に対して、電界（即ち、マイクロ波）発生指令信号を入力する。マグネトロンによるマイクロ波と、点火コイル１４による高誘導電圧とを重畳して点火プラグ１２の中心電極に印加することも考えられる。

上記の態様以外にも、点火プラグやアンテナの具体的な態様は上記実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。

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。

本発明は燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより混合気に着火する火花点火式内燃機関の制御装置として利用することができる。

７…燃焼室
９…アンテナ
６０…電界発生装置
０…火花点火式内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）

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の制御装置であって、
   燃焼室内に燃料が存在せず且つ燃焼室内の圧力が所定値以上の場合にアンテナから電界を発生させてプラズマの生成を行う火花点火式内燃機関の制御装置。

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