JP2014088778A - Internal combustion engine - Google Patents

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啓 中島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable reliable ignition and combustion even when the air-fuel ratio of mixture is prominently lean or an EGR rate is high.SOLUTION: An internal combustion engine includes discharge means for generating corona discharge E in a combustion chamber of a cylinder, and electric field producing means for producing high-frequency electric fields or microwave electric fields near electrodes 121, 122 where the corona discharge E is generated by the discharge means. Interaction between the corona discharge E and the high-frequency electric fields or the microwave electric fields causes the ignition of mixture in the combustion chamber. The magnitude of a voltage to be applied to the electrodes for the corona discharge E to be generated by the discharge means is changed depending on the magnitude of a pressure in the cylinder at a timing for generating the corona discharge E.

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。   The present invention relates to an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like.

点火プラグの中心電極と接地電極との間に火花放電を惹起して燃焼室内の混合気に着火する火花点火式内燃機関において、火花放電と時を同じくして、それら電極の周囲に、高周波発振器が出力する高周波若しくはマグネトロンが出力するマイクロ波を放射する「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、電極間の空間に高周波若しくはマイクロ波電界が形成され、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できる。ひいては、安定した燃焼を得られる。   In a spark ignition internal combustion engine that causes a spark discharge between the center electrode and the ground electrode of the spark plug to ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber, a high-frequency oscillator is placed around these electrodes at the same time as the spark discharge. Attempts have been made to "active ignition" that emits high-frequency waves output from or microwaves output from magnetrons (see, for example, the following patent document). According to the active ignition method, a high-frequency or microwave electric field is formed in the space between the electrodes, and plasma generated in the electric field grows to generate a large flame nucleus that starts flame propagation combustion. As a result, stable combustion can be obtained.

しかし、混合気の空燃比が顕著にリーンである場合や、EGR(Exhaust Gas Recirculation)率が高い場合等には、アクティブ着火を実施してもなお失火のおそれが残る。火花放電では、点火プラグの中心電極と接地電極とをつなぐ、極細い荷電粒子の通り道が一本だけ形成されることから、混合気に着火する最初の火種が小さい。その上、混合気に含まれる燃料成分が少ないと、火炎が低温化し、かつ火炎伝搬速度も低下する。従って、膨張行程におけるピストンの下死点に向けた運動(下降)に伴う気筒内の温度降下により、火炎核が小さい段階で失火してしまう可能性があった。   However, when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is remarkably lean, or when the EGR (Exhaust Gas Recirculation) rate is high, there is still a risk of misfire even if active ignition is performed. In the spark discharge, since only one passage of extremely fine charged particles that connects the center electrode and the ground electrode of the spark plug is formed, the initial fire type that ignites the air-fuel mixture is small. In addition, when the fuel component contained in the air-fuel mixture is small, the flame is lowered in temperature and the flame propagation speed is also reduced. Therefore, there is a possibility that the flame kernel may misfire at a small stage due to the temperature drop in the cylinder accompanying the movement (lowering) toward the bottom dead center of the piston in the expansion stroke.

特開2011−064162号公報JP 2011-0664162 A 特開2011−159477号公報JP 2011-159477 A

本発明は、混合気の空燃比が顕著にリーンである場合やEGR率が高い場合等にも確実に着火して燃焼させられるようにすることを所期の目的とする。   An object of the present invention is to ensure ignition and combustion even when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is remarkably lean or when the EGR rate is high.

上述した課題を解決するべく、本発明では、気筒の燃焼室内にコロナ放電を発生させる放電手段と、放電手段によりコロナ放電が発生する電極の近傍に高周波電界若しくはマイクロ波電界を生成する電界生成手段とを具備し、コロナ放電と高周波電界若しくはマイクロ波電界とを相互作用させて燃焼室内の混合気に着火する内燃機関であって、放電手段がコロナ放電を発生させるために電極に印加する電圧の大きさを、コロナ放電を発生させるタイミングにおける気筒内の圧力の大きさに応じて変化させる内燃機関を構成した。   In order to solve the above-described problems, in the present invention, discharge means for generating corona discharge in the combustion chamber of a cylinder, and electric field generation means for generating a high-frequency electric field or a microwave electric field in the vicinity of an electrode where corona discharge is generated by the discharge means. An internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture in a combustion chamber by interacting a corona discharge with a high-frequency electric field or a microwave electric field, and a voltage applied to an electrode by the discharge means to generate the corona discharge. An internal combustion engine in which the magnitude is changed according to the magnitude of the pressure in the cylinder at the timing of generating the corona discharge is configured.

本発明によれば、混合気の空燃比が顕著にリーンである場合やEGR率が高い場合等にも確実に着火して燃焼させることが可能となる。   According to the present invention, it is possible to reliably ignite and burn even when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is remarkably lean or when the EGR rate is high.

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the internal combustion engine in one Embodiment of this invention. 同実施形態における点火装置の回路図。The circuit diagram of the ignition device in the embodiment. 同実施形態における電界発生装置の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the electric field generator in the embodiment. 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。The circuit diagram of the H bridge which is an element of the electric field generator in the embodiment. 同実施形態における点火プラグの電極部分を拡大して示す要部側断面図。The principal part side sectional view which expands and shows the electrode part of the ignition plug in the embodiment. 同実施形態における点火プラグの底面図。The bottom view of the ignition plug in the embodiment. 本発明の変形例における点火プラグの電極部分を拡大して示す要部側断面図。The principal part side sectional view which expands and shows the electrode part of the spark plug in the modification of this invention. 同変形例における点火プラグの底面図。The bottom view of the ignition plug in the modification.

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。本実施形態の内燃機関は、4ストローク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。   An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an outline of an internal combustion engine for a vehicle in the present embodiment. The internal combustion engine of the present embodiment is a four-stroke gasoline engine and includes a plurality of cylinders 1 (one of which is shown in FIG. 1). In the vicinity of the intake port of each cylinder 1, an injector 11 for injecting fuel is provided. A spark plug 12 is attached to the ceiling of the combustion chamber of each cylinder 1.

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。   An intake passage 3 for supplying intake air to the cylinder 1 of the internal combustion engine takes in air from the outside and guides it to the intake port of each cylinder 1. On the intake passage 3, an air cleaner 31, an electronic throttle valve 32, a surge tank 33, and an intake manifold 34 are arranged in this order from the upstream.

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。   The exhaust passage 4 for exhausting the exhaust from the cylinder 1 guides the exhaust generated as a result of burning the fuel in the cylinder 1 from the exhaust port of each cylinder 1 to the outside. An exhaust manifold 42 and an exhaust purification three-way catalyst 41 are disposed on the exhaust passage 4.

内燃機関には、外部EGR装置2が付帯していることがある。図1に示している外部EGR装置2は、いわゆる高圧ループEGRを実現するものであり、排気通路4における触媒41の上流側と吸気通路3におけるスロットルバルブ32の下流側とを連通するEGR通路21と、EGR通路21上に設けたEGRクーラ22と、EGR通路21を開閉し当該EGR通路21を流れるEGRガスの流量を制御するEGRバルブ23とを要素とする。EGR通路21の入口は、排気通路4における排気マニホルド42またはその下流の所定箇所に接続している。EGR通路21の出口は、吸気通路3におけるスロットルバルブ32の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク33に接続している。   An external EGR device 2 may be attached to the internal combustion engine. The external EGR device 2 shown in FIG. 1 realizes a so-called high-pressure loop EGR, and an EGR passage 21 that communicates the upstream side of the catalyst 41 in the exhaust passage 4 and the downstream side of the throttle valve 32 in the intake passage 3. The EGR cooler 22 provided on the EGR passage 21 and the EGR valve 23 that opens and closes the EGR passage 21 and controls the flow rate of the EGR gas flowing through the EGR passage 21 are used as elements. The inlet of the EGR passage 21 is connected to the exhaust manifold 42 in the exhaust passage 4 or a predetermined location downstream thereof. The outlet of the EGR passage 21 is connected to a predetermined location downstream of the throttle valve 32 in the intake passage 3, specifically to a surge tank 33.

図2に、気筒1の燃焼室内の混合気に着火するための点火装置の電気回路を示す。本実施形態の放電手段は、燃焼室内にコロナ放電を発生させる。放電手段は、点火コイル14、キャパシタ15、半導体スイッチング素子13及び点火プラグ12を構成要素に含む。   FIG. 2 shows an electric circuit of an ignition device for igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber of the cylinder 1. The discharge means of this embodiment generates corona discharge in the combustion chamber. The discharging means includes an ignition coil 14, a capacitor 15, a semiconductor switching element 13, and a spark plug 12 as constituent elements.

点火コイル14は、互いに磁気回路及び磁束を共有する一次側コイル及び二次側コイルの組である。キャパシタ15は、車載バッテリを電源とし、バッテリが提供する約12Vの直流低電圧を約200Vの高電圧に昇圧するDC−DCコンバータ16から電力の供給を受け、電荷を蓄える。そして、このキャパシタ15に予め充電しておいた高電圧を、点火のタイミングにて点火コイル14の一次側コイルに印加する。すると、一次側コイルを流れる電流が急増し、その瞬間に二次側コイルに高圧の誘導電圧が誘起される。その誘導電圧を、点火プラグ12の中心電極121に印加する。キャパシタ15から一次側コイルへの通電は、サイリスタやパワートランジスタ等の半導体スイッチング素子13を介して行う。   The ignition coil 14 is a set of a primary coil and a secondary coil that share a magnetic circuit and magnetic flux with each other. The capacitor 15 is supplied with electric power from a DC-DC converter 16 that uses an in-vehicle battery as a power source and boosts a DC low voltage of about 12 V provided by the battery to a high voltage of about 200 V, and stores electric charge. A high voltage charged in advance in the capacitor 15 is applied to the primary coil of the ignition coil 14 at the timing of ignition. Then, the current flowing through the primary coil suddenly increases, and a high-voltage induced voltage is induced in the secondary coil at that moment. The induced voltage is applied to the center electrode 121 of the spark plug 12. Energization from the capacitor 15 to the primary coil is performed via the semiconductor switching element 13 such as a thyristor or a power transistor.

二次側コイルから誘導電圧の印加を受けた点火プラグ12は、気筒1の燃焼室内にて、その中心電極121と接地電極122との間でコロナ放電を発生させる。図5及び図6に示すように、本実施形態の点火プラグ12の中心電極121は、絶縁体(誘電体)123によって被覆されており、接地電極122の面する燃焼室側に露出していない。よって、中心電極121と接地電極122との間での放電は、バリア放電となる。接地電極122は、中心電極121及び絶縁体123を包囲するような筒状をなしている。接地電極122の先端(下端)は、中心電極121の先端よりも先方(下方)に突出するとともに、絶縁体123の先端と略面一となっている。   The spark plug 12 that has received the induction voltage from the secondary coil generates a corona discharge between the center electrode 121 and the ground electrode 122 in the combustion chamber of the cylinder 1. As shown in FIGS. 5 and 6, the center electrode 121 of the spark plug 12 of this embodiment is covered with an insulator (dielectric) 123 and is not exposed to the combustion chamber side facing the ground electrode 122. . Therefore, the discharge between the center electrode 121 and the ground electrode 122 becomes a barrier discharge. The ground electrode 122 has a cylindrical shape surrounding the center electrode 121 and the insulator 123. The tip (lower end) of the ground electrode 122 protrudes further forward (downward) than the tip of the center electrode 121 and is substantially flush with the tip of the insulator 123.

コロナ放電は、火花点火式内燃機関の点火プラグにおける火花放電よりも低い印加電圧で惹起される。図6に模式的に示しているように、コロナ放電では、中心電極121と接地電極122とをつなぐような荷電粒子の通り道Eが複数本形成される。コロナ放電による点火は、火花放電による点火と比較して、より広い範囲で混合気に着火することが可能であり、複数個の火種、または体積の大きい火種を燃焼室内に生じさせることができる。   The corona discharge is caused by an applied voltage lower than the spark discharge in the spark plug of the spark ignition type internal combustion engine. As schematically shown in FIG. 6, in the corona discharge, a plurality of paths E of charged particles that connect the center electrode 121 and the ground electrode 122 are formed. The ignition by the corona discharge can ignite the air-fuel mixture in a wider range as compared with the ignition by the spark discharge, and a plurality of fire types or a large-volume fire type can be generated in the combustion chamber.

本実施形態の電界生成手段は、コロナ放電が発生する電極121、122の近傍に高周波電界を生成する。電界生成手段は、電界発生装置6及びアンテナ121を構成要素に含む。   The electric field generating means of this embodiment generates a high frequency electric field in the vicinity of the electrodes 121 and 122 where corona discharge occurs. The electric field generating means includes the electric field generator 6 and the antenna 121 as constituent elements.

電界発生装置6は、高周波の交流電圧をアンテナ121に印加する交流電圧発生回路を主体とする。図3及び図4に示すように、電界発生装置6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もので、バッテリが提供する約12Vの直流低電圧を100Vないし500Vの高電圧に昇圧する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。なお、DC−DCコンバータ61は、DC−DCコンバータ16と共通であることがある。   The electric field generator 6 mainly includes an AC voltage generation circuit that applies a high-frequency AC voltage to the antenna 121. As shown in FIG. 3 and FIG. 4, the electric field generator 6 uses a vehicle-mounted battery as a power source and converts low-voltage direct current to high-voltage alternating current. The low-voltage direct current of about 12V provided by the battery is converted to a high voltage of 100V to 500V. A DC-DC converter 61 that boosts the current to DC, an H-bridge circuit 62 that converts direct current output from the DC-DC converter 61 into alternating current, and a boost transformer 63 that boosts the alternating current output from the H-bridge circuit 62 to a higher voltage. It is a component. Note that the DC-DC converter 61 may be common to the DC-DC converter 16.

電界発生装置6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。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。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。これら第一ダイオード64及び第二ダイオード65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う。   A first diode 64 and a second diode 65 are preferably provided at the output end of the electric field generator 6. The first diode 64 has a cathode connected to the signal line of the secondary winding of the step-up transformer 63 and an anode connected to a mixer 66 that is a node with the ignition coil 14. The second diode 65 has an anode connected to the ground line of the secondary winding of the step-up transformer 63 and a cathode grounded. The first diode 64 and the second diode 65 play a role of blocking the negative high-voltage pulse current flowing from the secondary side of the ignition coil 14 at the ignition timing.

電界発生装置6が発振する高周波電圧は、気筒1の燃焼室内に臨み、燃焼室内に高周波電界を放射するためのアンテナ121に印加する。本実施形態では、点火プラグ12の中心電極121を、電界放射用のアンテナとして利用する。高周波電圧は、点火プラグ12によるコロナ放電の開始と同時、コロナ放電開始直前またはコロナ放電開始直後に、点火プラグ12の中心電極に印加する。要するに、点火コイル14の二次側コイルからの誘導電圧に、電界発生装置6からの高周波電圧を重畳する。これにより、コロナ放電が発生する電極121、122の近傍の領域に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中でコロナ放電が強化され、荷電粒子の通り道Eやその周辺にプラズマが発生し、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。   The high-frequency voltage oscillated by the electric field generator 6 is applied to the antenna 121 that faces the combustion chamber of the cylinder 1 and radiates a high-frequency electric field into the combustion chamber. In the present embodiment, the center electrode 121 of the spark plug 12 is used as an antenna for electric field radiation. The high-frequency voltage is applied to the center electrode of the spark plug 12 at the same time as the start of the corona discharge by the spark plug 12, immediately before the start of the corona discharge or immediately after the start of the corona discharge. In short, the high frequency voltage from the electric field generator 6 is superimposed on the induced voltage from the secondary coil of the ignition coil 14. As a result, a high-frequency electric field is formed in a region near the electrodes 121 and 122 where corona discharge occurs. Then, corona discharge is strengthened in a high-frequency electric field, and plasma is generated in and around the path E of charged particles, and this plasma generates a large radical plasma flame nucleus that starts flame propagation combustion.

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。結果、燃焼室内にて燃焼が急速に伝播する、換言すれば火炎が高い燃焼速度で拡大することとなる。   In the above, 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 long 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 also ionized, that is, a plasma state. In addition, the region of ignition of the air-fuel mixture increases and the flame kernel also increases. As a result, the combustion propagates rapidly in the combustion chamber, in other words, the flame expands at a high combustion rate.

因みに、電界発生装置6として、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路等を採用しても構わない。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。脈流電圧は、周波数が200kHz〜3000kHz程度、振幅が3kVp−pないし10kVp−p程度であることが好ましい。   Incidentally, as the electric field generator 6, a pulsating voltage generating circuit for applying a high-frequency pulsating voltage may be adopted. The pulsating voltage generation circuit only needs to generate a DC voltage whose voltage periodically changes, and the waveform thereof may be arbitrary. The pulsating voltage includes a pulse voltage that varies from a reference voltage (which may be 0V) to a constant voltage in a constant cycle, a voltage obtained by half-wave rectifying an AC voltage, a voltage obtained by adding a DC bias to the AC voltage, and the like. The pulsating voltage preferably has a frequency of about 200 kHz to 3000 kHz and an amplitude of about 3 kVp-p to 10 kVp-p.

内燃機関の運転制御を司る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。   An ECU (Electronic Control Unit) 0 that controls operation of the internal combustion engine is a microcomputer system having a processor, a memory, an input interface, an output interface, and the like.

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h等が入力される。   The input interface includes a vehicle speed signal a output from a vehicle speed sensor that detects the actual vehicle speed of the vehicle, a crank angle signal b output from an engine rotation sensor that detects the rotation angle and engine speed of the crankshaft, and depression of an accelerator pedal. An accelerator opening signal c output from a sensor that detects the amount or the opening of the throttle valve 32 as an accelerator opening (so-called required load), and a brake pedaling amount signal d output from a sensor that detects the amount of depression of the brake pedal The intake air temperature / intake pressure signal e output from the temperature / pressure sensor for detecting the intake air temperature and the intake pressure in the intake passage 3 (particularly, the surge tank 33), and the output from the water temperature sensor for detecting the cooling water temperature of the engine. Output from sensor (or shift position switch) to know coolant temperature signal f and shift lever range Shift range signal g that is, the cam angle signal h or the like to be output from the cam angle sensor is input in a plurality of cam angle of the intake camshaft or an exhaust camshaft.

出力インタフェースからは、半導体スイッチング素子13に対して点弧信号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、電界発生装置に対して電界(即ち、高周波)発生指令信号l、EGRバルブ23に対して開度操作信号m等を出力する。   From the output interface, the ignition signal i for the semiconductor switching element 13, the fuel injection signal j for the injector 11, the opening operation signal k for the throttle valve 32, and the electric field (ie, high frequency) for the electric field generator. ) The opening command signal m and the like are output to the generation command signal 1 and the EGR valve 23

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、要求EGR率(または、EGR量)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、mを出力インタフェースを介して印加する。   The processor of the ECU 0 interprets and executes a program stored in the memory in advance, calculates operation parameters, and controls the operation of the internal combustion engine. The ECU 0 acquires various information a, b, c, d, e, f, g, and h necessary for operation control of the internal combustion engine via the input interface, knows the engine speed, and is filled in the cylinder 1. Estimate the intake volume. Based on the engine speed, the intake air amount, etc., the required fuel injection amount, fuel injection timing (including the number of times of fuel injection for one combustion), fuel injection pressure, ignition timing, required EGR rate (or EGR rate) Various operating parameters such as volume). As the operation parameter determination method itself, a known method can be adopted. The ECU 0 applies various control signals i, j, k, l and m corresponding to the operation parameters via the output interface.

本実施形態のECU0は、燃焼室内の混合気への点火に際し、燃焼室内にコロナ放電を発生させるべく点火コイル14の二次側コイルから点火プラグ12の中心電極121に印加する電圧の大きさを、そのコロナ放電を発生させるタイミングにおける気筒1内の圧力の大きさに応じて変化させる。   The ECU 0 of the present embodiment sets the magnitude of the voltage applied from the secondary coil of the ignition coil 14 to the center electrode 121 of the spark plug 12 so as to generate corona discharge in the combustion chamber when the mixture in the combustion chamber is ignited. Then, it is changed according to the pressure in the cylinder 1 at the timing of generating the corona discharge.

中心電極121への印加電圧が高すぎると、電極121、122間にコロナ放電ではなく火花放電またはグロー放電が発生する。火花放電またはグロー放電では、荷電粒子の通り道Eの数が一本形成されるにとどまる。従って、混合気の広範囲に亘る着火は不可能であり、複数個の火種または体積の大きい火種を燃焼室内に生み出すことはできない。   If the voltage applied to the center electrode 121 is too high, spark discharge or glow discharge occurs between the electrodes 121 and 122 instead of corona discharge. In the spark discharge or the glow discharge, only one passage E of charged particles is formed. Accordingly, it is impossible to ignite the air-fuel mixture over a wide range, and it is impossible to generate a plurality of fire types or large-volume fire types in the combustion chamber.

逆に、中心電極121への印加電圧が低すぎると、そもそも放電が発生せず、混合気に着火できない。   On the contrary, if the voltage applied to the center electrode 121 is too low, no electric discharge is generated in the first place and the air-fuel mixture cannot be ignited.

コロナ放電のために必要となる、そして火花放電またはグロー放電には至らないような印加電圧の大きさは、点火プラグ12の電極121、122間にコロナ放電を惹起する(半導体スイッチング素子13を点弧する)タイミング、即ち点火タイミングにおける気筒1内の混合気の圧力(または、密度)が高いほど大きい。   The magnitude of the applied voltage that is necessary for corona discharge and does not lead to spark discharge or glow discharge causes corona discharge between the electrodes 121 and 122 of the spark plug 12 (the semiconductor switching element 13 is turned on). The higher the pressure (or density) of the air-fuel mixture in the cylinder 1 at the timing of arcing, that is, at the ignition timing, the greater.

点火タイミングにおける気筒1内圧力は、気筒1に充填される吸気量(吸気圧、吸気温及びエンジン回転数から推算される)やそのときの内燃機関の温度(冷却水温)等から推測することが可能である。ECU0は、点火タイミングにおける気筒1内圧力を推測し、その圧力が高いほど、点火コイル14から中心電極121に印加される誘導電圧を高めるように、点火装置を制御する。   The cylinder 1 internal pressure at the ignition timing can be estimated from the amount of intake air charged into the cylinder 1 (estimated from the intake pressure, intake air temperature and engine speed), the temperature of the internal combustion engine (cooling water temperature) at that time, and the like. Is possible. The ECU 0 estimates the pressure in the cylinder 1 at the ignition timing, and controls the ignition device so that the induced voltage applied from the ignition coil 14 to the center electrode 121 increases as the pressure increases.

中心電極121に印加される誘導電圧は、点火タイミングの直前にキャパシタ15に充電していた電圧の多寡に応じて定まる。そこで、ECU0は、点火タイミングにおける気筒1内圧力に応じた誘導電圧が中心電極121に印加されるよう、キャパシタ15の充電電圧を調整する。例えば、点火装置の電気回路において、キャパシタ15と並列に接続している抵抗17の大きさを変える。抵抗17が大きいほど、キャパシタ15の充電電圧が大きくなる。抵抗17は、可変抵抗器を用いたものであってもよいし、抵抗値の異なる複数の抵抗を並列に配列しておき、それらの中から電気回路に接続する抵抗をスイッチを介して切り替えられるようにしたものであってもよい。   The induced voltage applied to the center electrode 121 is determined according to the amount of voltage charged in the capacitor 15 immediately before the ignition timing. Therefore, the ECU 0 adjusts the charging voltage of the capacitor 15 so that an induced voltage corresponding to the cylinder 1 internal pressure at the ignition timing is applied to the center electrode 121. For example, in the electric circuit of the ignition device, the size of the resistor 17 connected in parallel with the capacitor 15 is changed. The larger the resistance 17, the higher the charging voltage of the capacitor 15. The resistor 17 may be one using a variable resistor, or a plurality of resistors having different resistance values are arranged in parallel, and a resistor connected to the electric circuit can be switched via a switch. It may be as described above.

また、コロナ放電を増強する高周波電界の放射期間を、内燃機関の運転領域に応じて調整してもよい。混合気の空燃比がリーンである場合やEGR率が高い場合(何れも、燃料噴射量が少ない)、エンジン回転数が低い場合等は、そうでない場合と比較して燃焼が不安定となりやすい。そこで、ECU0は、空燃比がリーンであるほど、EGR率が高いほど、燃料噴射量が少ないほど、及び/または、エンジン回転数が低いほど、電界発生装置6からアンテナたる中心電極121に高周波電界を印加する期間(クランク角度(°CA)または時間)を長くするように、点火装置を制御する。   The radiation period of the high-frequency electric field that enhances corona discharge may be adjusted according to the operating region of the internal combustion engine. Combustion is likely to be unstable when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is lean, when the EGR rate is high (both the fuel injection amount is small), when the engine speed is low, and the like. Therefore, the ECU 0 applies a high-frequency electric field from the electric field generator 6 to the center electrode 121 as an antenna as the air-fuel ratio is leaner, the EGR rate is higher, the fuel injection amount is smaller, and / or the engine speed is lower. The ignition device is controlled so that the period (crank angle (° CA) or time) is applied.

本実施形態では、気筒1の燃焼室内にコロナ放電を発生させる放電手段と、放電手段によりコロナ放電が発生する電極121、122の近傍に高周波電界を生成する電界生成手段とを具備し、コロナ放電と高周波電界とを相互作用させて燃焼室内の混合気に着火する内燃機関であって、放電手段がコロナ放電を発生させるために電極121に印加する電圧の大きさを、コロナ放電を発生させるタイミングにおける気筒1内の圧力の大きさに応じて変化させる内燃機関を構成した。   In the present embodiment, a discharge means for generating a corona discharge in the combustion chamber of the cylinder 1 and an electric field generation means for generating a high-frequency electric field in the vicinity of the electrodes 121 and 122 where the corona discharge is generated by the discharge means are provided. Is an internal combustion engine that interacts with a high-frequency electric field to ignite an air-fuel mixture in the combustion chamber, and the voltage applied to the electrode 121 by the discharge means to generate the corona discharge is determined by the timing at which the corona discharge is generated. The internal combustion engine which changes according to the magnitude | size of the pressure in the cylinder 1 in was comprised.

本実施形態では、点火プラグ12の電極121、122におけるコロナ放電の発生直前、発生と同時または発生の直後に高周波電界を重畳して、コロナ放電を強化し、混合気に確実に着火し得るレベル放電へと成長させる。コロナ放電は、電極121、122間の複数の経路Eで発生し、燃焼室内の混合気の広範囲または多数の箇所に着火することを可能とする。   In this embodiment, the corona discharge is strengthened by superimposing the high-frequency electric field immediately before, simultaneously with or immediately after the occurrence of the corona discharge at the electrodes 121 and 122 of the spark plug 12, and the air-fuel mixture can be reliably ignited. Grow to discharge. Corona discharge occurs in a plurality of paths E between the electrodes 121 and 122, and can ignite a wide range or a large number of locations of the air-fuel mixture in the combustion chamber.

本実施形態によれば、混合気の空燃比が顕著にリーンである場合や、EGR率が高い場合等にあっても、混合気に確実に着火して燃焼させることが可能となる。多点着火により、燃焼の火炎が伝搬して気筒1のボア内周面に到達するまでの時間が短縮される。火炎伝搬の速さが膨張行程におけるピストンの下死点に向けた運動の速さに追従できるようになることから、燃焼の中途で失火するおそれが低減する。空燃比のリーン化やEGRガス量の増量に対する耐性が向上するため、燃料噴射量をより一層削減することが可能となり、実用燃費の良化に資する。   According to this embodiment, even when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is remarkably lean or when the EGR rate is high, the air-fuel mixture can be reliably ignited and burned. By the multipoint ignition, the time until the combustion flame propagates and reaches the bore inner peripheral surface of the cylinder 1 is shortened. Since the flame propagation speed can follow the speed of the movement toward the bottom dead center of the piston in the expansion stroke, the possibility of misfire during the combustion is reduced. Since resistance to the lean air-fuel ratio and the increase in the amount of EGR gas is improved, the fuel injection amount can be further reduced, which contributes to the improvement of practical fuel consumption.

加えて、中心電極121を絶縁体(または、誘電体)123により被覆していることで、中心電極121の損耗が発生しない。故に、高耐久性のレアメタル(白金やイリジウム)を使用せず、ニッケルを使用して中心電極121を作製することができ、コストの低減に奏効し得る。   In addition, since the center electrode 121 is covered with the insulator (or dielectric) 123, the center electrode 121 is not worn. Therefore, the center electrode 121 can be manufactured using nickel without using a highly durable rare metal (platinum or iridium), which can be effective in reducing the cost.

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、点火プラグ12の電極121、122の具体的形状は、図5及び図6に示したようなものには限定されない。接地電極122の先端を尖らせて針電極としてもよいし、及び/または、中心電極121の先端を尖らせて針電極としてもよい。図7に示す例では、中心電極121及び接地電極122の両方を針電極としている。針電極122xを形成する箇所により、図8に示すように、コロナ放電の発生位置または荷電粒子の通り道Eをある程度制御することが可能である。針電極122xには電界が集中するため、コロナ放電Eによるプラズマが優先的に形成される。気筒1の燃焼室内の圧力場や温度場が如何様に変化したとしても、安定した本数のコロナプラズマEを生成することが可能となり、混合気への点火性能が強化される。   The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. For example, the specific shapes of the electrodes 121 and 122 of the spark plug 12 are not limited to those shown in FIGS. The tip of the ground electrode 122 may be sharpened as a needle electrode, and / or the tip of the center electrode 121 may be sharpened as a needle electrode. In the example shown in FIG. 7, both the center electrode 121 and the ground electrode 122 are needle electrodes. As shown in FIG. 8, the position where the needle electrode 122x is formed can control the generation position of corona discharge or the path E of charged particles to some extent. Since the electric field concentrates on the needle electrode 122x, plasma by corona discharge E is preferentially formed. Regardless of how the pressure field and temperature field in the combustion chamber of the cylinder 1 change, it becomes possible to generate a stable number of corona plasmas E, and the ignition performance to the air-fuel mixture is enhanced.

点火コイル14の二次側コイルから点火プラグ12の中心電極121に印加する誘導電圧の大きさを、気筒1に充填された混合気の空燃比や、燃料噴射量の多寡に応じて調節してもよい。その際、ECU0は、空燃比がリーンであるほど、及び/または、燃料噴射量が少ないほど、コロナ放電を惹起するために中心電極121に印加される誘導電圧(即ち、点火タイミングに先んじてキャパシタ15に充電する電圧)を高める。   The magnitude of the induced voltage applied from the secondary coil of the ignition coil 14 to the center electrode 121 of the ignition plug 12 is adjusted according to the air-fuel ratio of the air-fuel mixture filled in the cylinder 1 and the amount of fuel injection. Also good. At this time, the ECU 0 determines that the induced voltage (that is, the capacitor prior to the ignition timing) applied to the center electrode 121 to cause corona discharge as the air-fuel ratio becomes leaner and / or as the fuel injection amount decreases. 15).

電界生成手段の要素となる電界発生装置は、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路、または高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路には限定されない。電界発生装置としてマイクロ波発生装置を採用し、気筒の燃焼室内に高周波電界に替えてマイクロ波電界を発生させても構わない。   The electric field generating device that is an element of the electric field generating means is not limited to an AC voltage generating circuit that applies a high-frequency AC voltage or a pulsating voltage generating circuit that applies a high-frequency pulsating voltage. A microwave generator may be adopted as the electric field generator, and a microwave electric field may be generated in the combustion chamber of the cylinder instead of the high frequency electric field.

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を主体とする。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の中心電極に電気的に接続し、マグネトロンが出力するマイクロ波を中心電極に印加し、その中心電極をアンテナとして気筒の燃焼室内に放射することが可能である。   The microwave generator is mainly a magnetron that uses a vehicle-mounted battery as a power source. The microwave generator is electrically connected to the center electrode of the spark plug via a waveguide, a coaxial cable, etc., applies the microwave output from the magnetron to the center electrode, and uses the center electrode as an antenna to burn the cylinder It is possible to radiate indoors.

マイクロ波もまた、コロナ放電開始と同時、コロナ放電開始直前またはコロナ放電開始直後に印加する。このとき、ECU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、点火コイルによる高誘導電圧とを重畳して点火プラグの中心電極に印加することも考えられる。   The microwave is also applied simultaneously with the start of corona discharge, immediately before the start of corona discharge, or immediately after the start of corona discharge. At this time, the ECU inputs an electric field (ie, microwave) generation command signal to a control circuit that controls the magnetron. It is also conceivable to apply the microwave by the magnetron and the high induction voltage by the ignition coil in a superimposed manner to the center electrode of the spark plug.

上記実施形態では、点火プラグ12の中心電極121を電界(高周波若しくはマイクロ波)を放射するためのアンテナとして利用していたが、点火プラグとは別の、燃焼室内に電界を放射するための専用のアンテナを、内燃機関の各気筒に実装してもよい。   In the above embodiment, the center electrode 121 of the spark plug 12 is used as an antenna for radiating an electric field (high frequency or microwave). However, the center electrode 121 is dedicated for radiating an electric field in the combustion chamber, which is different from the spark plug. These antennas may be mounted on each cylinder of the internal combustion engine.

上記実施形態における内燃機関の点火装置は、いわゆるCDI(Capacitive Discharge Ignition)式のものとなっていた。これ以外に、点火コイルの一次側コイルに通電している電流を(トランジスタ等の半導体スイッチング素子(イグナイタ)を介して)遮断することで二次側コイルに高い誘導電圧を誘起する、いわゆるダイレクトイグニッション式の点火装置を採用することも考えられる。ダイレクトイグニッション式の点火装置において、二次側コイルから点火プラグの中心電極に印加される誘導電圧の大きさを制御するためには、遮断直前に一次側コイルに流れている電流の大きさを調整すればよい。   The ignition device for an internal combustion engine in the above embodiment is of a so-called CDI (Capacitive Discharge Ignition) type. In addition to this, a so-called direct ignition that induces a high induced voltage in the secondary coil by cutting off the current that is passed through the primary coil of the ignition coil (via a semiconductor switching element (igniter) such as a transistor). It is also conceivable to employ a type of ignition device. In the direct ignition type ignition device, in order to control the magnitude of the induced voltage applied from the secondary side coil to the center electrode of the spark plug, the magnitude of the current flowing in the primary side coil is adjusted just before the interruption. do it.

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。   Other specific configurations of each part can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。   The present invention can be applied to an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like.

0…制御装置(ECU)
1…気筒
12…点火プラグ
121…中心電極(アンテナ)
E…コロナ放電
0 ... Control unit (ECU)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cylinder 12 ... Spark plug 121 ... Center electrode (antenna)
E ... Corona discharge

Claims (1)

気筒の燃焼室内にコロナ放電を発生させる放電手段と、放電手段によりコロナ放電が発生する電極の近傍に高周波電界若しくはマイクロ波電界を生成する電界生成手段とを具備し、コロナ放電と高周波電界若しくはマイクロ波電界とを相互作用させて燃焼室内の混合気に着火する内燃機関であって、
放電手段がコロナ放電を発生させるために電極に印加する電圧の大きさを、コロナ放電を発生させるタイミングにおける気筒内の圧力の大きさに応じて変化させる内燃機関。
A discharge means for generating a corona discharge in the combustion chamber of the cylinder; and an electric field generation means for generating a high-frequency electric field or a microwave electric field in the vicinity of an electrode where the corona discharge is generated by the discharge means. An internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture in a combustion chamber by interacting with a wave electric field,
An internal combustion engine in which the magnitude of a voltage applied to an electrode for generating corona discharge by a discharge means is changed in accordance with the magnitude of pressure in the cylinder at the timing of generating corona discharge.
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