JP2015187391A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動時における望ましくないプレイグニッションの発生を抑止する。
【解決手段】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気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し燃料に着火するアクティブ点火を実行可能なものであって、再始動のためのクランキングを開始した直後の時期に圧縮行程を迎えた気筒において、圧縮上死点よりも早いタイミングで燃焼室内に電界を放射しまたはアクティブ点火を実行する内燃機関を構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。

一般的な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し、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、高周波発振器が出力する高周波またはマグネトロンが出力するマイクロ波を燃焼室内に放射する「アクティブ点火（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を参照）。アクティブ点火法によれば、中心電極と接地電極との間の空間に高周波電界また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することができる。

また、昨今、信号待ち等の一時的な停車時に、車両に搭載された内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実施することが普遍化している（例えば、下記特許文献２を参照）。既存のアイドリングストップシステムでは、車速が所定値以下で、ブレーキペダルが閾値以上に踏み込まれており、内燃機関の冷却水温及び車載バッテリの電圧が十分高い、等といった諸条件が成立したときに、内燃機関を停止させる。アイドルストップ中、運転者がブレーキペダルから足を離すか、アクセルペダルを踏み込む等の再始動要求があったときや、アイドルストップ状態で所定時間が経過したときには、内燃機関を再始動する。

特開２０１４−０２９１２８号公報 特開２０１２−１３７０１８号公報

内燃機関の始動時、特にアイドルストップ車両におけるアイドルストップ後の再始動の際には、気筒の燃焼室内（筒内直接噴射式の内燃機関の場合）や吸気ポート（ポート噴射式の内燃機関の場合）に未燃の燃料を含んだ吸気が残存していることがある。筒内温度（燃焼室内温度）が高い状況下で、この吸気がクランキング中に気筒内で圧縮されると、ピストンの往復運動の速度が遅いこととも相まって、圧縮圧力により燃料に自着火して爆発するプレイグニッションを引き起こす可能性がある。プレイグニッションが発生すると、内燃機関の始動中に異音が生じる上、内燃機関がダメージを受ける懸念もある。

気筒の圧縮比を低く設定すれば、このようなプレイグニッションを回避することはできる。だが、圧縮比の低下は熱機械変換効率の悪化につながり、燃費性能の面で不利を招く。

本発明は、内燃機関の始動時における望ましくない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、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気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し燃料に着火するアクティブ点火を実行可能な内燃機関であって、再始動のためのクランキングを開始した直後の時期に圧縮行程を迎えた気筒において、圧縮上死点よりも早いタイミングで燃焼室内に電界を放射しまたはアクティブ点火を実行する内燃機関を構成した。

本発明によれば、内燃機関の始動時における望ましくないプレイグニッションの発生を抑止できる。

本発明の一実施形態の内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関の点火系の回路図。 同実施形態の内燃機関の点火系に付随する電界発生装置の構成を説明する図。 同電界発生装置の要素であるＨブリッジの回路図。

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。本実施形態の内燃機関は、気筒１の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒エンジン。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には、その燃焼室に臨む位置に、燃料を噴射するインジェクタ１１を設置している。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。

図２に、点火系の電気回路を示している。点火コイル１４は、点火プラグ１２に印加するべき火花放電用の高電圧を供給するものであり、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。内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、点火コイル１４の一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電が生じる。

本実施形態の内燃機関では、その点火系に気筒１の燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置６を付設している。この電界発生装置６は、燃焼室内でプラズマを生成する目的で高周波を発生させるものである。電界発生装置６の具体例としては、高周波の交流電圧を出力する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を出力する脈流電圧発生回路等を挙げることができる。

図３及び図４に示すように、電界発生装置６は、車載のバッテリ８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８が提供する約１２Ｖの直流電圧を１００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流電圧を利用して交流の高周波を出力する交流発振器たる高周波発生回路６２と、高周波発生回路６２が出力する交流の高周波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。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６１は、ＥＣＵ０からの指令ｌを受けて、高周波発生回路６２に印加する直流の駆動電圧の大きさを変化させることができ、ひいては、昇圧トランス６３の下流における高周波電圧の振幅を変化させることができる。昇圧トランス６３の下流における高周波電圧は、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。

本実施形態において、高周波発生回路６２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流電圧を交流電圧に変換するＨブリッジ回路である。図４に、このＨブリッジ回路の構成例を示している。

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。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７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、昇圧トランス６３の下流において交流の高周波を半波整流して脈流化するとともに、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。

因みに、電界発生装置６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。ここに言う脈流電圧は、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や、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等を含む。

電界発生装置６が発生させる高周波の脈流電圧は、ミキサ７を介して点火プラグ１２の中心電極に印加する。つまり、気筒１の燃焼室内に臨む点火プラグ１２の中心電極を、電界を放射するアンテナとする。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間の空間に、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、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。

アクティブ点火を実行する場合の、点火プラグ１２の中心電極に高周波を印加するタイミングは、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である。

勿論、本実施形態の内燃機関は、アクティブ点火ではない従来型の火花点火、即ち点火プラグ１２の中心電極からの高周波電界の放射を伴わない火花放電によって混合気に着火することもできる。安定的に着火して燃焼させることが容易な（燃焼不良に陥りにくい）状況下では、従来型の火花点火を実行することとして電力消費を抑制することが考えられる。

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。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）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。

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ブレーキスイッチまたはマスタシリンダ圧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、内燃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、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、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。

クランク角センサは、クランクシャフトに固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。クランク角センサは、典型的には、クランクシャフトが１０°ＣＡ（クランク角度）回転する都度、クランク角信号ｂとしてパルス信号を発信する。但し、クランク角センサは、クランクシャフトが一回転する間に三十六回のパルスを出力するわけではなく、例えば、十七番目、十八番目及び二十番目、二十一番目のパルスは欠損する。ＥＣＵ０は、受信したクランク角信号ｂのパルス列の欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度を知ることが可能である。

カム角センサもまた、カムシャフトに固定されカムシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。カム角センサは、少なくとも、カムシャフトが一回転を気筒１の数で割った角度回転する毎に、カム角信号ｇとしてパルス信号を発信する。三気筒エンジンであれば、カムシャフトが１２０°回転する都度、パルス信号を発信する。カムシャフトは巻掛伝動機構（チェーン及びスプロケット。図示せず）等を介してクランクシャフトから回転トルクの伝達を受けて従動回転するため、その回転速度はクランクシャフトの二分の一である。故に、カム角信号ｇのパルスの間隔は、クランク角度に換算すれば２４０°ＣＡに相当する。このカム角信号ｇのパルスは、各気筒１の圧縮上死点から所定クランク角度（３０°ＣＡないし７０°ＣＡの範囲内の値）だけ進角したタイミングを示唆する。また、いわゆる位相変化型の可変バルブタイミング機構が付随している内燃機関にあっては、カム角信号ｇが当該機構により調節されるバルブタイミングをも表す。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２に付随するイグナイタ１３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、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１に対して当該ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する駆動電圧の大きさを指令する電圧指令信号ｌ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｍ等を出力する。

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、燃焼室内に高周波電界を印加するか否かやその電界の強度、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）等といった各種運転パラメータを決定する。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。

ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドルストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータ（セルモータ）またはモータジェネレータ。図示せず）に制御信号ｏを入力し、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

本実施形態のＥＣＵ０は、信号待ち等による車両の停車の際に、内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実施する。ＥＣＵ０は、車速が所定値（例えば、１０ｋｍ／ｈないし１３ｋｍ／ｈの値）以下で、運転者によりブレーキペダルが踏まれている（ブレーキスイッチがＯＮ）かブレーキの操作量（ブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧）が判定閾値を上回っており、内燃機関の冷却水温及び車載バッテリ８の電圧がそれぞれ所定値よりも高く、直近の内燃機関の再始動後に車速が所定値（例えば、１０ｋｍ／ｈないし１３ｋｍ／ｈの値）以上に上昇した履歴がある、といった諸条件がおしなべて成立したことを以て、アイドルストップ条件が成立したものと判断し、アイドルストップを実行する。

アイドルストップ条件の成立後、ＥＣＵ０は、運転者がブレーキペダルから足を離した（ブレーキスイッチがＯＦＦ）かブレーキの操作量（ブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧）が判定閾値を下回った、逆にブレーキペダルがさらに強く踏み込まれた（ブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧がさらに上昇した）、アクセルペダルが踏まれた、アイドルストップ状態で所定時間（例えば、３分）が経過した、等のうちの何れかの成立を以て、アイドルストップ終了条件が成立したものと判断し、内燃機関を再始動する。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、アイドルストップした内燃機関を再始動するにあたり、プレイグニッションの発生を抑止するべく、クランキングを開始した直後の時期に圧縮行程を迎えた気筒１において、その圧縮上死点よりも早いタイミングで、点火プラグ１２の中心電極から燃焼室内に高周波電界を放射するか、または、高周波電界の放射とともに点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するアクティブ点火を実行する。

これにより、クランキング開始後正規の燃料噴射の開始前に未燃の燃料（アイドルストップ前に噴射された燃料）を含んだ吸気が気筒１の燃焼室内に残存していたとしても、その吸気に点火プラグ１２から放射する電磁波のエネルギを吸収させてこれを活性化し、圧縮上死点に至る前の圧縮圧力が低い段階、換言すれば燃焼室の容積が比較的大きい段階で未燃燃料を自着火させ燃焼させることができる。あるいは、燃焼室の容積が比較的大きい段階で、未燃燃料に強制的にアクティブ点火して燃焼させることができる。結果、圧縮上死点近傍におけるプレイグニッションの発生及び筒内圧（燃焼室内圧力）の過大化が阻止されるため、大きな異音が発生せず、内燃機関もダメージを受けずに済む。

望ましからぬプレイグニッションの回避のための電界放射またはアクティブ点火は、気筒１の吸気下死点後、当該気筒１の圧縮行程のできるだけ早い（吸気下死点により近く、圧縮上死点からより遠い）時期に実行する。つまり、未燃燃料を含んだ吸気が圧縮されてプレイグニッションを起こす温度に到達するよりも先に、当該吸気に電界を放射し、または当該吸気に対してアクティブ点火を実行するのである。

上述の電界放射またはアクティブ点火は、クラン角信号ｂ及びカム角信号ｇを基に各気筒１の現在の行程を確認する気筒判別が完了してから実行してもよく、その完了前に実行してもよい。気筒判別の完了前であったとしても、カム角信号ｇを参照すれば、各気筒１の圧縮上死点から所定クランク角度だけ進角したタイミングを知得できるので、圧縮行程の早い時期に電界放射またはアクティブ点火を実行することが可能である。尤も、この場合、圧縮行程を迎えているのがどの気筒１であるかを特定することはできないので、全ての気筒１において電界放射またはアクティブ点火を実行することにより、圧縮行程を迎えた気筒１の燃焼室内にある未燃燃料を確実に燃焼させる必要がある。

また、上述の電界放射またはアクティブ点火は、クランキングの開始後、各気筒１において最低一回実行することが好ましい。何れの気筒１にも、未燃燃料を含む吸気が残留している可能性があるからである。

内燃機関の再始動の完了を早める、即ちクランキングの期間を短縮するためには、圧縮行程を迎えた気筒１において上述の電界放射またはアクティブ点火を実行後、同じ圧縮行程中に正規の燃料噴射を実行し、圧縮上死点近傍のタイミングでその噴射した燃料に点火して、本来の（エンジントルクを出力する）燃焼を具現するようにする。

本実施形態では、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気筒１の燃焼室内に臨むアンテナ（点火プラグ１２の中心電極）を介して燃焼室内に放射される電界とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し燃料に着火するアクティブ点火を実行可能な内燃機関であって、再始動のためのクランキングを開始した直後の時期に圧縮行程を迎えた気筒１において、圧縮上死点よりも早いタイミングで燃焼室内に電界を放射しまたはアクティブ点火を実行する内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、既に筒内温度が高い状況下での内燃機関の再始動の際に、大きな異音を発生させまたは内燃機関にダメージを与える望ましからぬプレイグニッションが引き起こされることを有効に回避できる。そして、プレイグニッションを予防する目的で気筒１の圧縮比を徒に引き下げる必要がなくなるため、十分なエンジントルクの確保及び燃費性能の良化に奏効する。

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、気筒１の燃焼室内に電界を印加するための電界発生装置６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６としてマイクロ波を出力するマグネトロン等を採用し、気筒１の燃焼室内にマイクロ波電界を印加してアクティブ点火を実行するものとしてもよい。

上記実施形態では、点火プラグ１２の中心電極を電界放射用のアンテナとしていたが、点火プラグ１２とは別体のアンテナを気筒１に設け、これを介して気筒１の燃焼室内に高周波電界またはマイクロ波電界を放射してもよい。

本発明の適用対象となる内燃機関は、いわゆるガソリン直噴エンジンには限定されない。ディーゼルエンジンや、ＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）エンジン等に、本発明を適用することも当然に考えられる。

さらには、本発明を、吸気ポートに対して燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関に適用することも許される。ポート噴射式の内燃機関にあっては、その停止後、再始動前に未燃燃料を含んだ吸気が吸気ポートや燃焼室内に残留していることがある。この未燃燃料に起因する望ましくないプレイグニッションを抑止するためには、内燃機関のクランキングの開始後、少なくとも、最初に圧縮行程を迎える気筒１において、その圧縮行程のできるだけ早い時期に電界放射またはアクティブ点火を実行することが好ましい。各気筒１の燃焼室に連なる各吸気ポートに残存する未燃燃料を処理することを考えれば、上述の電界放射またはアクティブ点火を、クランキングの開始後、各気筒１において最低一回実行することが好適である。

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、車両等に搭載される内燃機関として利用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ、アンテナ
６…電界発生装置
７…ミキサ

Claims (1)

1. 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気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し燃料に着火するアクティブ点火を実行可能な内燃機関であって、
   再始動のためのクランキングを開始した直後の時期に圧縮行程を迎えた気筒において、圧縮上死点よりも早いタイミングで燃焼室内に電界を放射しまたはアクティブ点火を実行する内燃機関。

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