JP2016217224A - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱損失を抑制しつつ運転領域の全域において燃焼安定性を確保することができる内燃機関の点火装置を提供する。
【解決手段】非平衡プラズマ放電部と、アーク放電部と、非平衡プラズマ放電タイミング及び当該非平衡プラズマ放電タイミングに対して所定の遅角度をもって遅角側に設定されるアーク放電タイミングを制御する制御装置とを備えた内燃機関の点火装置であって、制御装置は、通常運転時に比べて燃焼安定性が低い運転状態である場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、遅角度を通常運転時（ステップＳ４）に比べて大きくする（ステップＳ２）。
【選択図】図４

Description

本発明は、非平衡プラズマ放電部とアーク放電部と非平衡プラズマ放電タイミング及びアーク放電タイミングを制御する制御装置とを備えた内燃機関の点火装置に関する。

内燃機関の熱効率を高めるためには、燃焼速度を高めて等容度を高めることが効果的である。燃焼速度を高めるために、点火プラグにコロナ放電やグロー放電により非平衡プラズマ（低温プラズマ）を発生させる放電（以下、非平衡プラズマ放電と称する）を行い、プラズマ雰囲気にアーク放電することで、混合気の燃焼を改善できることが知られている。

火花点火式の点火プラグを備えた自動車用内燃機関の制御方法として、触媒が活性化するまでの間は点火プラグによる火花放電により混合気に点火し、触媒が活性化した後は、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とを反応させて燃焼室内にプラズマを生成して混合気に点火する発明が知られている（特許文献１参照）。この発明によれば、始動直後はプラズマによる燃焼改善よりも火花放電による排気ガス温度の上昇が優先されることで、早期に触媒が活性化する。

また、低温プラズマ（非平衡プラズマ）を発生させる放電形態と熱プラズマを発生させる放電形態とを切り替え可能な点火プラグの制御方法として、内燃機関の冷却水温又はエンジンオイルの油温が所定温度より低い場合は、アーク放電により熱プラズマを発生させて混合気に点火し、所定温度以上になった後に、コロナ放電により低温プラズマを発生させて混合気に点火する発明も公知である（特許文献２参照）。特許文献２には、筒内ガス密度に応じて低温プラズマ及び熱プラズマの少なくとも一方を発生させて混合気に点火することや、低温プラズマ及び熱プラズマの両方を発生させる際には、両プラズマを同時に発生させること等が示されている。

更に、低温プラズマによる点火用及び熱プラズマによる点火用の２本の点火プラグをシリンダヘッドに取り付けた内燃機関の点火装置として、低温プラズマ用の点火プラグが燃焼室の頂部中央に配置され、熱プラズマ用の点火プラグが燃焼室の頂部外周部に配置された構成が公知となっている（特許文献２の図１４、特許文献３の図３参照）。

特許第５２０８０６２号公報 特開２０１３−２３８１２９号公報 特開２０１３−２３８１３０号公報

ところで、特許文献１の背景技術にも記載されるように、エンジン始動直後の触媒が冷えている状態では、点火時期を通常よりも遅角させ、排気ガス温度を上昇させることによって早期に触媒を活性化できることが一般に知られている。しかしながら、特許文献１、２に記載の発明では、エンジン始動直後には通常の火花点火が行われるため、触媒暖気を更に早めるために点火時期を遅角させると、燃焼が不安定になる。

また、特許文献２の発明のように、非平衡プラズマ及び熱プラズマのどちらか一方を発生させて混合気に点火する場合、非平衡プラズマのみにより点火すると、着火遅れのロバスト性が担保されないため、負荷や条件によっては燃焼安定性が悪化する。また、熱プラズマのみを発生させて点火する場合、特に筒内密度が高い場合には混合気が着火し難いため、アーク放電期間を長くして混合気を着火させる必要があり、点火エネルギーが増大する虞やプラグ電極が消耗する虞がある。

一方、非平衡プラズマ及び熱プラズマの両方により同時に混合気を点火する場合、非平衡プラズマによって生成されたラジカルによる混合気反応が進まないうちに、熱プラズマにより混合気が着火するため、非平衡プラズマによる燃焼改善が初期の火炎拡大時のみに限定され、大きな燃焼改善効果が得られない。

更に、特許文献２、３に記載のような点火プラグの配置では、熱プラズマ用の点火プラグにより混合気が着火された際に火炎が燃焼室の外周側から成長するため、熱損失、未燃損失及び時間損失が増加するうえ、燃焼安定性が損なわれる。

本発明は、このような背景に鑑み、熱損失を抑制しつつ運転領域の全域において燃焼安定性を確保することができる内燃機関の点火装置を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明は、非平衡プラズマ放電部（２１、４１、４３、５１、５２）と、アーク放電部（２１、４１、４２、６１、６２）と、非平衡プラズマ放電タイミング及び当該非平衡プラズマ放電タイミングに対して所定の遅角度をもって遅角側に設定されるアーク放電タイミングを制御する制御装置（１２）とを備えた内燃機関（１）の点火装置（１０）であって、通常運転時に比べて燃焼安定性が低い運転状態である場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ、ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、前記制御装置は前記遅角度を前記通常運転時（ステップＳ４、ステップＳ１４）に比べて大きくする（ステップＳ２、ステップＳ１２）構成とする。

この構成によれば、通常運転時に熱損失を抑制しつつ、燃焼安定性が低い運転状態である場合にアーク放電タイミングの非平衡プラズマ放電タイミングに対する遅角度を大きくすることで、内燃機関の運転領域の全域において燃焼安定性を確保できる。

また、上記の発明において、前記燃焼安定性が低い運転状態は、触媒を昇温させる触媒暖機運転時（ステップＳ１：Ｙｅｓ）を含み、前記触媒暖機運転時には、前記制御装置は、前記アーク放電タイミングを前記通常運転時に比べて遅角側に設定することにより前記遅角度を大きくする（ステップＳ２）構成とするとよい。

この構成によれば、触媒の早期活性化が可能になると共に、燃焼安定性が確保されることにより排ガス中の炭化水素（ＨＣ）を低減させることができる。

また、上記の発明において、前記遅角度の角度範囲を、当該遅角度が大きくなるほど着火遅れが小さくなる角度範囲である第１領域（Ａ）と、前記第１領域に対して当該遅角度の大きい側に連続し、当該遅角度の変化に対する着火遅れの変化が比較的小さい角度範囲である第２領域（Ｂ）と、前記第２領域に対して当該遅角度の大きい側に連続し、当該遅角度が大きくなるほど着火遅れが小さくなる角度範囲である第３領域（Ｃ）とに分けた場合、前記制御装置は、前記通常運転時には前記遅角度を前記第１領域又は前記第２領域の値に設定し（ステップＳ４）、前記触媒暖機運転時には前記遅角度を第３領域の値に設定する（ステップＳ２）構成とするとよい。

第３領域では、遅角度が大きくなると、着火遅れが急激に短縮して燃焼安定性が著しく向上するが、反対に熱損失が著しく上昇する。この構成によれば、触媒暖機運転時と通常運転時とで領域を切り替えることにより、燃焼安定性と燃費を両立できる。

また、上記の発明において、前記制御装置は、前記通常運転時に前記遅角度を前記第２領域の値に設定する（ステップＳ４）構成とするとよい。

この構成によれば、第１領域では非平衡プラズマによる着火遅れ短縮効果が殆ど現れないが、通常運転時に遅角度が第２領域に設定されることより通常運転時の燃焼安定性を確保することができる。

また、上記の発明において、前記燃焼安定性が低い運転状態は、排気再循環中に急ブレーキが検知された直後（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）を含み、前記排気再循環中に急ブレーキが検知された直後には、前記制御装置は前記アーク放電タイミングを前記通常運転時に比べて遅角側に設定することにより前記遅角度を大きくする（ステップＳ１２）構成とするとよい。

この構成によれば、失火を防止し、その後の復帰走行を円滑にすることができる。

また、上記の発明において、前記遅角度の角度範囲を、当該遅角度が大きくなるほど着火遅れが小さくなる角度範囲である第１領域（Ａ）と、前記第１領域に対して当該遅角度の大きい側に連続し、当該遅角度の変化に対する着火遅れの変化が比較的小さい角度範囲である第２領域（Ｂ）と、前記第２領域に対して当該遅角度の大きい側に連続し、前記遅角度が大きくなるほど着火遅れが小さくなる角度範囲である第３領域（Ｃ）とに分けた場合、前記制御装置は、前記通常運転時には前記遅角度を前記第１領域又は前記第２領域の値に設定し（ステップＳ１４）、前記排気再循環中に緊急ブレーキが検知された直後には前記遅角度を前記第３領域の値に設定する（ステップＳ１２）構成とするとよい。

この構成によれば、燃焼安定性を確実に確保することができる。

このように本発明によれば、熱損失を抑制しつつ運転領域の全域において燃焼安定性を確保できる内燃機関の点火装置を提供することができる。

第１実施形態に係る点火装置を備えた内燃機関の模式的断面図 図１に示す点火装置による燃焼行程の説明図 非平衡プラズマ放電タイミングに対するアーク放電タイミングの遅角度と（Ａ）着火遅れとの相関を示すグラフ（Ｂ）熱損失との相関を示すグラフ 図１に示す制御装置によるエンジン始動後の放電制御のフローチャート 図１に示す制御装置による通常時放電制御のフローチャート 遅角度と（Ａ）燃焼安定性（Ｂ）触媒温度（Ｃ）ＨＣ排出量との相関を示すグラフ 変形例に係る点火装置を備えた内燃機関の模式的断面図 図７に示す点火プラグの腰部拡大断面図 第２実施形態に係る点火装置を備えた内燃機関の模式的断面図 図９中のＸ方向に見た燃焼室頂部の下面図 図９に示す点火装置による燃焼行程の説明図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、図示された方向に従って車両に搭載される内燃機関１やその点火装置１０について説明するが、内燃機関１の搭載姿勢は図示のものに限られない。

≪第１実施形態≫
まず、図１〜図９を参照して第１実施形態に係る内燃機関１の点火装置１０について説明する。図１に示されるように、内燃機関１は、４ストロークガソリンエンジンであり、円筒状のシリンダ２ａを画成するシリンダブロック２や、シリンダブロック２の上面に接合されたシリンダヘッド３、シリンダ２ａ内に摺動可能に設けられたピストン４等を備えている。内燃機関１の気筒数や気筒列は任意であってよい。

シリンダヘッド３の下面におけるシリンダ２ａに対応する位置には、曲面状の窪みである燃焼室凹部３ａが形成されている。燃焼室凹部３ａ、シリンダ２ａ及びピストン４の頂面により囲まれる空間により燃焼室５が形成される。つまり、燃焼室凹部３ａが燃焼室５の頂部を画定している。

シリンダヘッド３の略中央には、シリンダヘッド３の上面から燃焼室５に至る点火プラグ挿入孔３ｂが形成されている。本実施形態では、１つのシリンダ２ａに対して１つの点火プラグ挿入孔３ｂが形成されている。点火プラグ挿入孔３ｂは、燃焼室凹部３ａの中央に開口するようにシリンダ軸線上に形成されている。シリンダヘッド３の点火プラグ挿入孔３ｂには筒状のプラグガイド６が圧入されており、プラグガイド６によって点火プラグ挿入孔３ｂが上方に延長されている。

また、シリンダヘッド３には、左側面に開口すると共に燃焼室凹部３ａに開口する吸気ポート３ｃと、燃焼室凹部３ａに開口すると共に右側面に開口する排気ポート３ｄとが形成されている。本実施形態では、１つのシリンダ２ａに対して２つの吸気ポート３ｃと２つの排気ポート３ｄとが形成されている。シリンダヘッド３には、各吸気ポート３ｃを開閉する吸気弁７及び各排気ポート３ｄを開閉する排気弁８が摺動可能に設けられている。

シリンダヘッド３の右側面には排気装置９が接合されている。排気装置９は、排気ポート３ｄに接続されて排気通路を形成する排気管９ａの他、排気通路の上流側から順に触媒コンバータ９ｂ、消音器（図示せず）を備えている。触媒コンバータ９ｂは例えば三元触媒であってよい。触媒コンバータ９ｂには、触媒温度を検出する温度センサ９ｃが設けられている。

内燃機関１には、吸気ポート３ｃから燃焼室５に吸入される混合ガスに点火を行う点火装置１０が設けられている。点火装置１０は、点火プラグ挿入孔３ｂに挿入され、先端を燃焼室５に吐出或いは突出させるようにシリンダヘッド３に取り付けられた点火プラグ１１と、電源１３（１３ａ、１３ｂ）から点火プラグ１１に印加される電圧を制御する制御装置１２とを備えている。点火プラグ１１は、点火プラグ挿入孔３ｂの下部には形成された雌ねじに螺着される。本実施形態では、電源１３として短パルス高周波電源１３ａと長パルス電源１３ｂとが備えられており、制御装置１２は両電源１３ａ、１３ｂから点火プラグ１１に印加される電圧を制御する。

点火プラグ１１は、プラグキャップ１５により基端部を保持されており、点火プラグ挿入孔３ｂの下部に形成された雌ねじに螺着される。点火プラグ１１の基端（上端）にはターミナル部１６が形成されている。プラグキャップ１５の内部に収容されたコイルスプリングからなる高電圧導電部材１７がターミナル部１６に弾接することにより、ターミナル部１６が電源１３と電気的に接続される。

点火プラグ１１は、先端（下端）に第１電極２１ａ及び第２電極２１ｂを有している。点火プラグ１１の中心軸線上に配置された第１電極２１ａは、ターミナル部１６を介して電源１３と電気的に接続され、高電圧を印加される中心電極である。点火プラグ１１の外周部から延出し、中心電極に対向するように屈曲する第２電極２１ｂは、シリンダヘッド３と電気的に接続された接地電極である。

このように構成された点火装置１０では、制御装置１２が点火プラグ１１の印加電圧や印加電圧のパルス幅等を制御することにより、１対の電極２１間の放電形態を、非平衡プラズマ放電とアーク放電とを切り替え、アーク放電により混合気への点火を行う。点火プラグ１１による混合ガスへの点火及び着火した混合ガスの燃焼は、次のように進行する。即ち、図２（Ａ）に示されるように、点火プラグ１１は最初に非平衡プラズマの発生を伴う非平衡プラズマ放電を行う。これにより、点火プラグ１１の先端周辺には、ラジカルを発生させた非平衡プラズマにより活性場３１が生成される。なお、燃焼室５内では、ピストン４が上死点近くに移動していることにより、圧力が高くなっており、矢印で示すように高圧の混合気による主流３２が発生している。

活性場３１は、（Ｂ）に示されるように、混合気の主流３２によって流されて燃焼室５に広がりつつ、放電の継続によって生成され続けることによって大きくなる。その後、（Ｃ）に示されるように、点火プラグ１１がアーク放電を行うことによって混合気に点火する。点火プラグ１１の先端（１対の電極２１間）で着火した火炎３３は、（Ｄ）に示されるように、活性場３１を高速に且つ燃焼室５の中心から広がるように伝播し、混合気の燃焼が早期に完了する。

ここで、非平衡プラズマ放電の開始タイミングに対するアーク放電の開始タイミングの遅れ（以下、クランク角を基準として、遅角度と称する）による影響について説明する。なお、遅角度は０°以上であり、負値（進角）は含まない。図３（Ａ）は、遅角度と着火遅れとの関係を示している。なお、着火遅れとは、アーク放電を開始してから混合気が着火するまでの時間であり、着火遅れが短いほど混合気の着火性が高いことを意味する。よって、着火遅れは短い方が好ましい。図３（Ｂ）は、遅角度と熱損失との関係を示している。熱損失は小さい方が好ましい。

（Ａ）に示されるように、着火遅れは、遅角度が大きいほど短くなる傾向にあるが、遅角度が概ね５°〜１０°の範囲では遅角度の変化に対する変化（即ち、傾き）が小さい。つまり、５°近傍の遅角度で遅角度の縮小に対する着火遅れの増大率が急激に変化し（遅角度が小さくなるほど傾き（負値の絶対値）が大きくなり）、１０°近傍の遅角度で遅角度の増大に対する着火遅れの縮小率が急激に変化している（遅角度が大きくなるほど傾き（負値の絶対値）が大きくなっている）。

一方、（Ｂ）に示されるように、熱損失は、遅角度が大きいほど大きくなる傾向にあり、遅角度が大きい領域（概ね１０°の遅角度で遅角度の増大に対する熱損失の増大率が急激に変化している（即ち、傾き（正値）が大きくなっている）。つまり、着火遅れの観点では遅角度は大きい方が好ましいが、熱損失の観点では遅角度は小さい方が好ましく、着火遅れと熱損失とはトレードオフの関係にある。

このような特性を示す遅角度は、次のように３つの領域に分けて考えることができる。第１領域Ａは、遅角度０°から始まり、遅角度が大きくなるほど着火遅れが小さくなる角度範囲（例えば、０°〜５°）である。第２領域Ｂは、第１領域Ａに対して遅角度の大きい側に連続し、遅角度の変化に対する着火遅れの変化（傾き）が比較的小さい角度範囲（例えば、５°〜１０°）である。第３領域Ｃは、第２領域Ｂに対して遅角度の大きい側に連続し、遅角度が大きくなるほど着火遅れが小さくなる角度範囲（例えば、１０°〜１５°）である。なお、（Ｂ）に示されるように、第１領域Ａ及び第２領域Ｂは、遅角度の変化（増大）に対する熱損失の変化（増大）、即ち傾きが比較的小さい角度範囲であり、第３領域Ｃは、遅角度の変化（増大）に対する熱損失の変化（増大）、即ち傾きが比較的大きい角度範囲であるとも云える。

このような遅角度の特性を踏まえ、制御装置１２は次のように非平衡プラズマ放電タイミング及びアーク放電タイミングを制御する。

まず、図４を参照して、エンジン始動後の放電制御の手順について説明する。制御装置１２は、エンジンが始動するとまず、温度センサ９ｃの検出結果に基づいて触媒暖機が必要であるか否かを判定する（ステップＳ１）。この判定では、触媒温度が所定の閾値以上である場合に触媒暖機が不要と判定され、触媒温度が所定の閾値未満である場合に触媒暖機が必要と判定される。ステップＳ１で触媒暖機が不要と判定された場合（Ｎｏ）、ステップＳ４において、制御装置１２は遅角度を第２領域Ｂ（例えば、５°〜１０°）の所定の値に設定し、本制御を終了する。触媒暖機が不要と判定された場合に遅角度が第２領域Ｂの値に設定されることにより、熱効率と着火性との両立が図られる（図３参照）。

一方、ステップＳ１で触媒暖機が必要と判定された場合（Ｙｅｓ）、制御装置１２は遅角度を第３領域Ｃ（例えば、１０°以上）の所定の値に設定する（ステップＳ２）。触媒暖機が必要と判定された場合に遅角度が第３領域Ｃの値に設定されることにより、熱損失の増大よりも着火遅れの短縮化が優先され（図３参照）、混合気の着火性が確保される。その後、制御装置１２は、触媒暖機が完了したか否かを判定する（ステップＳ３）。この判定は、例えば、温度センサ９ｃの検出結果に基づいて行われる。触媒暖機完了の判定閾値は、ステップＳ１の判定に用いた閾値と同一の値であってもよいが、検出誤差を鑑みてステップＳ１の判定閾値よりも大きな値とするとよい。

ステップＳ３において触媒暖機が未完了と判定されると（Ｎｏ）、制御装置１２はステップＳ２以下の処理を繰り返す。即ち、遅角度が第３領域Ｃの値に維持され、混合気の着火性が確保される。一方、ステップＳ３において触媒暖機が完了と判定されると（Ｙｅｓ）、ステップＳ４において、制御装置１２は遅角度を第２領域Ｂ（例えば、５°〜１０°）の所定の値に設定し、本制御を終了する。これにより、熱効率と着火性との両立が図られる。

次に、図５を参照して、上記エンジン始動後放電制御が終了した後に行う通常時の放電制御の手順について説明する。制御装置１２は、エンジン始動後放電制御が終了すると、緊急ブレーキ又は急ブレーキが行われたか否かを判定する（ステップＳ１１）。この判定では、図示しない車速センサにより検出した車速に基づいて走行中であると認められる時に、図示しないブレーキ圧センサにより検出されたブレーキ圧の上昇速度が所定の閾値以上になった場合に緊急ブレーキが発生したと判定され、ブレーキ圧が所定の閾値以上になった場合に急ブレーキが発生したと判定される。ステップＳ１１で緊急ブレーキ又は急ブレーキが発生していないと判定された場合（Ｎｏ）、通常運転が行われているものとしてステップＳ１４において、制御装置１２は遅角度を第２領域Ｂ（例えば、５°〜１０°）の所定の値に設定し、上記手順を繰り返す。停車時や通常走行時等の通常運転時に遅角度が第２領域Ｂの値に設定されることにより、熱効率と着火性との両立が図られる（図３参照）。

一方、ステップＳ１１で緊急ブレーキ又は急ブレーキが発生したと判定された場合（Ｙｅｓ）、制御装置１２は遅角度を第３領域Ｃ（例えば、１０°以上）の所定の値に設定する（ステップＳ１２）。緊急ブレーキ又は急ブレーキが発生したと判定された場合に遅角度が第３領域Ｃの値に設定されることにより、熱損失の増大よりも着火遅れの短縮化が優先され（図３参照）、混合気の着火性が確保される。これにより、内燃機関１の失火が防止され、緊急ブレーキ又は急ブレーキからの円滑な復帰走行が可能になる。その後、制御装置１２は、正常な燃焼が行われているか否かを判定する（ステップＳ１３）。この判定は、例えば、内燃機関１のトルク変動や燃焼圧モニターに基づいて判定されてよく、経過時間に基づいて正常な燃焼と見做して判定されてもよい。

ステップＳ１３において正常な燃焼が行われていないと判定されると（Ｎｏ）、制御装置１２はステップＳ１２以下の処理を繰り返す。即ち、遅角度が第３領域Ｃの値に維持され、混合気の着火性が確保される。一方、ステップＳ１３において燃焼が正常であることが判定されると（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４において、制御装置１２は遅角度を第２領域Ｂ（例えば、５°〜１０°）の所定の値に設定し、上記手順を繰り返す。遅角度が第２領域Ｂの値に設定されることにより、熱効率と着火性との両立が図られる。

即ち、制御装置１２が、通常運転時（ステップＳ４、ステップＳ１４）には遅角度を第１領域Ａ又は第２領域Ｂの値に設定して熱損失を抑制しつつ、触媒暖機運転時（ステップＳ２）及び緊急ブレーキ又は急ブレーキからの復帰運転時（ステップＳ１２）に遅角度を第３領域Ｃの値に設定して、遅角度を異なる領域の値に切り替えることにより、着火遅れを短縮する。これにより燃焼安定性と熱効率向上による燃費改善との両立が可能である。また、制御装置１２が、通常運転時（ステップＳ４、ステップＳ１４）に遅角度を第１領域Ａではなく第２領域Ｂの値に設定することにより、通常運転時の燃焼安定性が確保される。なお、通常運転時に燃焼安定性が確保されている場合には、制御装置１２が遅角度を第１領域Ａの値に設定してもよい。これにより熱損失が一層低減される。

ここで、点火プラグ１１による混合気への点火時期による影響について図６を参照して説明する。図６（Ａ）は、クランク角を基準とした点火時期（以下、単に点火時期と称する）と燃焼安定性の指標となる燃焼変動率（ＣＯＶ：Coefficient of Variance）との関係を示すグラフである。（Ｂ）は、点火時期と触媒温度との関係を示すグラフである。（Ｃ）は、点火時期とＨＣ排出量（濃度）との関係を示すグラフである。なお、いずれのグラフにおいても、横軸がクランク角（点火進角ＢＴＤＣ：Before Top Dead Center）となっており、クランク角０°は圧縮上死点である。

（Ａ）に示されるように、非平衡プラズマ放電を行わずにアーク放電のみにより混合気に点火する通常点火では、燃焼変動率は点火時期が遅角側になるほど大きく（即ち、燃焼安定性が悪化）なり、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）に急激に大きくなる。そのため、燃焼限界の燃焼変動率における点火時期（以下、遅角限界と称する）が比較的早い（ＢＴＤＣにおいて負の値となるクランク角の絶対値が小さい）。一方、非平衡プラズマ放電を行った後にアーク放電により混合気に点火する本発明に係る点火では、燃焼変動率の増大傾向が緩和され、点火時期が遅角側に進んでもそれほど急激に大きくならない。従って、遅角限界が遅く（ＢＴＤＣにおいて負の値となるクランク角の絶対値が大きく）なり、遅角限界が拡大される。

（Ｂ）に示されるように、触媒温度は、点火時期が遅角側になるほど、排気温度が上昇することから高くなる傾向にある。触媒温度の点火時期に応じた傾向には、通常点火と本発明に係る点火との間にあまり差はないが、通常点火に比べて本発明に係る点火の触媒温度は若干小さくなる。一方、本発明に係る点火では、（Ａ）に示される遅延限界が拡大することから、点火時期を遅らせることが可能であり、これにより触媒温度を高くすることが可能である。

（Ｃ）に示されるように、ＨＣ排出量は、点火時期が進角側に進むほど増大する傾向にある。ＨＣ排出量の点火時期に応じた傾向には、通常点火と本発明に係る点火との間にあまり差はないが、通常点火に比べて本発明に係る点火のＨＣ排出量は若干多くなる。一方、本発明に係る点火では、（Ａ）に示される遅延限界が拡大することから、点火時期を遅らせることが可能であり、これによりＨＣ排出量を減少させることが可能である。

そこで、制御装置１２は、図４のステップＳ２において遅角度をステップＳ４の第２領域Ｂよりも大きな第３領域Ｃの値に設定する際、及び図５のステップＳ１２において遅角度をステップＳ１４の第２領域Ｂよりも大きな第３領域Ｃの値に設定する際に、アーク放電タイミングを通常運転時に比べて遅角側に設定することにより遅角度を大きくする。

図４を参照して具体例を説明する。制御装置１２は、ステップＳ４においては、例えばアーク放電タイミング（点火時期）をＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）に設定し、非平衡プラズマ放電タイミングをアーク放電タイミングに対して５°〜１０°進角側の値に設定することにより、遅角度を第２領域Ｂの値とする。一方、ステップＳ２においては、制御装置１２は、アーク放電タイミングをＭＢＴのままとし、非平衡プラズマ放電タイミングをアーク放電タイミングに対して１０°〜１３°進角側の値に設定することにより、遅角度を第３領域Ｃの値とする。図５の通常時放電制御においても、同様にして遅角度の設定が行われる。なお、アーク放電タイミングはＭＢＴに限られるものではなく、例えば圧縮上死点（ＴＤＣ）等の固定値であってもよい。

このように、エンジン始動後の触媒暖機が必要な時（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、及び緊急ブレーキ又は急ブレーキからの復帰が必要な時（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）に、アーク放電タイミングが通常運転時（ステップＳ４、ステップＳ１４）に比べて遅角側に設定されることにより（ステップＳ２、ステップＳ１２）、排気温度の上昇による触媒の早期活性化、及び混合気の着火性向上による燃焼安定性の確保が可能になる。これらにより、排ガス中の炭化水素を低減させることができる。なお、上記の通り、通常運転時（ステップＳ４、ステップＳ１４）には、遅角度が第２領域Ｂの値に設定されることにより、熱効率と燃焼安定性着火性との両立が図られる。

即ち、エンジン始動後の触媒暖機が必要な時（ステップＳ２）や緊急ブレーキ又は急ブレーキからの復帰が必要な時（ステップＳ１２）等、通常運転時（ステップＳ４、ステップＳ１４）に比べて燃焼安定性が低い運転状態である場合に、制御装置１２が遅角度を通常運転時に比べて大きくすることにより、内燃機関１の運転領域の全域において燃焼安定性が確保されると共に熱損失が抑制される。

＜変形例＞
図７は、第１実施形態の変形例に係る点火装置１０を備えた内燃機関１を示し、図８は、図７に示す点火プラグ４０の下部を拡大した断面図を示している。この変形例では、点火プラグ４０の形態が上記実施形態と異なっている。なお、第１実施形態と形態又は機能が同一又は同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。後に説明する第２実施形態においても同様とする。

図７に示されるように、点火プラグ４０は、先端（下端）に３つの電極４１〜４３（以下、第１電極４１、第２電極４２、第３電極４３と称する）を、基端（上端）にターミナル部１６を有している。点火プラグ１１の中心軸線上に配置された第１電極４１が、ターミナル部１６を介して電源１３と電気的に接続される中心電極である。

図８に示されるように、点火プラグ４０の先端部分は、外周に雄ねじ（図示せず）が形成され、シリンダヘッド３に電気的に接続する円筒状の本体部４４と、本体部４４の内部に挿入される筒状の絶縁碍子４５とを有している。本体部４４の内面には、絶縁碍子４５に比べて誘電率が低い材料からなる絶縁膜４６が形成されている。絶縁碍子４５は筒状とされており、内部に第１電極４１を収容している。絶縁碍子４５は本体部４４の先端面４４ａよりも下方に延出しており、第１電極４１は絶縁碍子４５の先端部４５ａよりも更に下方に延出した後、屈曲して径方向外側に延びている。本体部４４の先端面４４ａには、第２電極４２及び第３電極４３が下方に向けて延出するように一体に設けられている。第２電極４２と第３電極４３とは、第１電極４１を挟んで対向する位置に配置されている。

第２電極４２は、棒形状とされ、本体部４４の外周部から下方に直線状に延びている。第２電極４２は第３電極４３よりも長く形成されており、その先端部４２ａが第１電極４１の径方向外側端部４１ａの近傍に配置されている。一方、第３電極４３は、本体部４４の外周部から下方に第２電極４２よりも短く直線状に延びた後、屈曲して径方向内側に延びている。第３電極４３における屈曲した部分の内向き先端部４３ａ（径方向内側の端面）が第２電極４２に比べて絶縁碍子４５の外表面４５ｂ近くに配置されている。

点火プラグ１１がこのように構成された点火装置１０においても、制御装置１２が点火プラグ１１への印加電圧を制御することによって点火プラグ１１の放電形態を非平衡プラズマ放電とアーク放電とに切り替えることができる。具体的には、制御装置１２は、短パルス高周波電源１３ａから比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ１１に印加することにより、第３電極４３と第１電極４１との間、即ち第３電極４３の内向き先端部４３ａと絶縁碍子４５の外表面４５ｂとの間に非平衡プラズマ放電（誘電体バリア放電）を発生させる。また、制御装置１２は、長パルス電源１３ｂから比較的高い電圧の長時間パルスを点火プラグ１１に印加することにより、或いは短パルス高周波電源１３ａから比較的高い電圧の長時間パルスを点火プラグ１１に印加することにより、第２電極４２と第１電極４１との間、即ち第２電極４２の先端部４２ａと第１電極４１の径方向外側端部４１ａとの間にアーク放電を発生させる。

このような点火装置１０が内燃機関１に設けられていても、点火装置１０が上記同様に運転状態に応じて非平衡プラズマ放電の開始タイミング及びアーク放電の開始タイミングを制御し、遅角度を変化させることにより、上記と同じ効果を得ることができる。

≪第２実施形態≫
次に、図９〜図１１を参照して第２実施形態に係る内燃機関１の点火装置１０について説明する。本実施形態の点火装置１０では、１つのシリンダ２ａに対して２つプラグ（５０、６０）が設けられている。また、電源１３として、短パルス高周波電源１３ａと点火コイル１３ｃとが備えられている。第１点火プラグ５０は非平衡プラズマ放電用であり、第２点火プラグ６０はアーク放電用である。

第１点火プラグ５０は、導電性材料により形成され、誘電体５２により覆われる被覆部を有する高電圧電極５１を有している。第１点火プラグ５０は、制御装置１２により短パルス高周波電源１３ａから比較的低い電圧の高周波短時間パルスを印加されることにより非平衡プラズマ放電を行う。一方、第２点火プラグ６０は、第１実施形態と同様の第１電極６１及び第２電極６２を有している。第２点火プラグ６０は、制御装置１２により点火コイル１３ｃから比較的高い電圧の長時間パルスを印加されることによりアーク放電を行う。非平衡プラズマ放電及びアーク放電の開始タイミングの制御は第１実施形態と同様である。

図１０に併せて示されるように、内燃機関１は、１つのシリンダ２ａに２つの吸気ポート３ｃ（吸気弁７）及び２つの排気ポート３ｄ（排気弁８）が形成された４バルブエンジンである。第１点火プラグ５０及び第２点火プラグ６０は、４つのポートの内側のスペースに配置され、それぞれの先端を燃焼室５の頂部中央にて近付けるように傾斜配置されており、側面視（図９）でＶ字状にシリンダヘッド３に取り付けられている。第１点火プラグ５０は２つの吸気ポート３ｃの間（吸気弁７側）にシリンダ軸線に対して傾斜して配置されている。第２点火プラグ６０は２つの排気ポート３ｄの間（排気弁８側）にシリンダ軸線に対して傾斜して配置されている。

点火装置１０がこのように構成された内燃機関１では、混合ガスへの点火及び着火した混合ガスの燃焼が次のように進行する。即ち、図１１（Ａ）に示されるように、最初に第１点火プラグ５０が非平衡プラズマ放電を行う。これにより、第１点火プラグ５０の先端周辺、即ち、燃焼室５の頂部中央には、ラジカルを発生させた非平衡プラズマにより活性場３１が生成される。生成された活性場３１は、混合気の流動により排気側に流される。その後、（Ｂ）に示されるように、第２点火プラグ６０がアーク放電を行うことによって活性場３１にて混合気に点火する。この際、第１点火プラグ５０が吸気側に配置されているため、アーク放電が確実に活性場３１で行われる。点火プラグ１１の先端（１対の電極６１、６２間）で着火した火炎３３は、（Ｃ）に示されるように、活性場３１を高速に且つ燃焼室５の中心から広がるように伝播し、混合気の燃焼が早期に完了する。

内燃機関１がこのように構成されていても、点火装置１０が上記同様に運転状態に応じて非平衡プラズマ放電の開始タイミング及びアーク放電の開始タイミングを制御し、遅角度を変化させることにより、上記と同じ効果を得ることができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、高周波短時間パルスとして直流のパルス電圧を印加しているが、交流電圧を印加してもよい。また、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、素材、制御手順等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。また、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

１ 内燃機関
１０ 点火装置
１１ 点火プラグ
１２ 制御装置
２１ａ 第１電極（非平衡プラズマ放電部、アーク放電部）
２１ｂ 第２電極（非平衡プラズマ放電部、アーク放電部）
４０ 点火プラグ
４１ 第１電極（非平衡プラズマ放電部、アーク放電部）
４２ 第２電極（アーク放電部）
４３ 第３電極（非平衡プラズマ放電部）
５０ 第１点火プラグ
５１ 高電圧電極（非平衡プラズマ放電部）
５２ 誘電体（非平衡プラズマ放電部）
６０ 第２点火プラグ
６１ 第１電極（アーク放電部）
６２ 第２電極（アーク放電部）
Ａ 第１領域
Ｂ 第２領域
Ｃ 第３領域

第１実施形態に係る点火装置を備えた内燃機関の模式的断面図 図１に示す点火装置による燃焼行程の説明図 非平衡プラズマ放電タイミングに対するアーク放電タイミングの遅角度と（Ａ）着火遅れとの相関を示すグラフ（Ｂ）熱損失との相関を示すグラフ 図１に示す制御装置によるエンジン始動後の放電制御のフローチャート 図１に示す制御装置による通常時放電制御のフローチャート 遅角度と（Ａ）燃焼安定性（Ｂ）触媒温度（Ｃ）ＨＣ排出量との相関を示すグラフ 変形例に係る点火装置を備えた内燃機関の模式的断面図 図７に示す点火プラグの要部拡大断面図 第２実施形態に係る点火装置を備えた内燃機関の模式的断面図 図９中のＸ方向に見た燃焼室頂部の下面図 図９に示す点火装置による燃焼行程の説明図

一方、（Ｂ）に示されるように、熱損失は、遅角度が大きいほど大きくなる傾向にあり、遅角度が大きい領域（概ね１０°の遅角度）で遅角度の増大に対する熱損失の増大率が急激に変化している（即ち、傾き（正値）が大きくなっている）。つまり、着火遅れの観点では遅角度は大きい方が好ましいが、熱損失の観点では遅角度は小さい方が好ましく、着火遅れと熱損失とはトレードオフの関係にある。

（Ｂ）に示されるように、触媒温度は、点火時期が遅角側になるほど、排気温度が上昇することから高くなる傾向にある。触媒温度の点火時期に応じた傾向には、通常点火と本発明に係る点火との間にあまり差はないが、通常点火に比べて本発明に係る点火の触媒温度は若干小さくなる。一方、本発明に係る点火では、（Ａ）に示される遅角限界が拡大することから、点火時期を遅らせることが可能であり、これにより触媒温度を高くすることが可能である。

（Ｃ）に示されるように、ＨＣ排出量は、点火時期が進角側に進むほど増大する傾向にある。ＨＣ排出量の点火時期に応じた傾向には、通常点火と本発明に係る点火との間にあまり差はないが、通常点火に比べて本発明に係る点火のＨＣ排出量は若干多くなる。一方、本発明に係る点火では、（Ａ）に示される遅角限界が拡大することから、点火時期を遅らせることが可能であり、これによりＨＣ排出量を減少させることが可能である。

このように、エンジン始動後の触媒暖機が必要な時（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、及び緊急ブレーキ又は急ブレーキからの復帰が必要な時（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）に、アーク放電タイミングが通常運転時（ステップＳ４、ステップＳ１４）に比べて遅角側に設定されることにより（ステップＳ２、ステップＳ１２）、排気温度の上昇による触媒の早期活性化、及び混合気の着火性向上による燃焼安定性の確保が可能になる。これらにより、排ガス中の炭化水素を低減させることができる。なお、上記の通り、通常運転時（ステップＳ４、ステップＳ１４）には、遅角度が第２領域Ｂの値に設定されることにより、熱効率と着火性との両立が図られる。

点火装置１０がこのように構成された内燃機関１では、混合ガスへの点火及び着火した混合ガスの燃焼が次のように進行する。即ち、図１１（Ａ）に示されるように、最初に第１点火プラグ５０が非平衡プラズマ放電を行う。これにより、第１点火プラグ５０の先端周辺、即ち、燃焼室５の頂部中央には、ラジカルを発生させた非平衡プラズマにより活性場３１が生成される。生成された活性場３１は、混合気の流動により排気側に流される。その後、（Ｂ）に示されるように、第２点火プラグ６０がアーク放電を行うことによって活性場３１にて混合気に点火する。この際、第１点火プラグ５０が吸気側に配置されているため、アーク放電が確実に活性場３１で行われる。第２点火プラグ６０の先端（１対の電極６１、６２間）で着火した火炎３３は、（Ｃ）に示されるように、活性場３１を高速に且つ燃焼室５の中心から広がるように伝播し、混合気の燃焼が早期に完了する。

Claims (6)

1. 非平衡プラズマ放電部と、アーク放電部と、非平衡プラズマ放電タイミング及び当該非平衡プラズマ放電タイミングに対して所定の遅角度をもって遅角側に設定されるアーク放電タイミングを制御する制御装置とを備えた内燃機関の点火装置であって、
   通常運転時に比べて燃焼安定性が低い運転状態である場合、前記制御装置は前記遅角度を前記通常運転時に比べて大きくすることを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 前記燃焼安定性が低い運転状態は、触媒を昇温させる触媒暖機運転時を含み、
   前記触媒暖機運転時には、前記制御装置は、前記アーク放電タイミングを前記通常運転時に比べて遅角側に設定することにより前記遅角度を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 前記遅角度の角度範囲を、
   当該遅角度が大きくなるほど着火遅れが小さくなる角度範囲である第１領域と、
   前記第１領域に対して当該遅角度の大きい側に連続し、当該遅角度の変化に対する着火遅れの変化が比較的小さい角度範囲である第２領域と、
   前記第２領域に対して当該遅角度の大きい側に連続し、当該遅角度が大きくなるほど着火遅れが小さくなる角度範囲である第３領域とに分けた場合、
   前記制御装置は、前記通常運転時には前記遅角度を前記第１領域又は前記第２領域の値に設定し、前記触媒暖機運転時には前記遅角度を第３領域の値に設定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の点火装置。
4. 前記制御装置は、前記通常運転時に前記遅角度を前記第２領域の値に設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の点火装置。
5. 前記燃焼安定性が低い運転状態は、排気再循環中に急ブレーキが検知された直後を含み、
   前記排気再循環中に急ブレーキが検知された直後には、前記制御装置は前記アーク放電タイミングを前記通常運転時に比べて遅角側に設定することにより前記遅角度を大きくすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の内燃機関の点火装置。
6. 前記遅角度の角度範囲を、
   当該遅角度が大きくなるほど着火遅れが小さくなる角度範囲である第１領域と、
   前記第１領域に対して当該遅角度の大きい側に連続し、当該遅角度の変化に対する着火遅れの変化が比較的小さい角度範囲である第２領域と、
   前記第２領域に対して当該遅角度の大きい側に連続し、前記遅角度が大きくなるほど着火遅れが小さくなる角度範囲である第３領域とに分けた場合、
   前記制御装置は、前記通常運転時には前記遅角度を前記第１領域又は前記第２領域の値に設定し、前記排気再循環中に緊急ブレーキが検知された直後には前記遅角度を前記第３領域の値に設定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の点火装置。

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