JP2017186911A - 火花放電点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的な火花放電点火を行う。
【解決手段】エンジンのシリンダ１４内に配置され、シリンダ１４内の混合気に火花放電点火を行うスパークプラグ２０と、スパークプラグ２０による火花放電部分より、シリンダ１４内気流の下流側にレーザ光２４を照射して火花点火を支援するレーザ光源２２と、を含む。そして、制御部は、スパークプラグ２０による火花放電が発生した後の段階で、レーザ光２４を照射するようレーザ光源２２を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンのシリンダ内の混合気に火花放電点火を行う火花放電点火装置に関する。

エンジンのシリンダ内混合気に点火するスパークプラグについて、効果的な点火を行うために各種の提案がある。

特許文献１，２では、レーザ光を利用することが示されている。特許文献１では、プラグの中心電極と接地電極間にレーザ光を照射することでここにレーザブレークダウンプラズマを形成し、中心電極および接地電極間を結ぶ線上に火花放電を誘起する。レーザブレークダウンプラズマにより、中心電極および接地電極間の距離を長くしても、火花放電を生じさせることができる。

特開２００９−９７４２７号公報 特開２００７−１０７４２４号公報

ここで、エンジンのシリンダ内では、混合気が強い流動を伴うことがあり、またリーンバーン条件や、ＥＧＲ高希釈条件などの燃料希薄条件では、スパークプラグの火花放電によって十分な燃焼を行えない状態が発生する。

強い流動が伴う場での点火過程を図１（ａ），（ｂ）に模式的に示す。図１（ａ）の例では、スパークプラグの電極間が絶縁破壊され、電極間に放電路が形成される（絶縁破壊）。この放電路が、高気流によって下流に弓状に引き伸ばされる（放電路伸張）。この放電伸張途中に火花放電が一旦切れる（放電切れ）。その後電極間に再度放電する（再放電）。このような、放電路伸張、放電切れ、再放電の一連を繰り返す放電は多重放電と呼ばれる。この例では、３回の放電切れが起こっている。

放電路は、伸張中に同一体積（同じ気体）を加熱するが、再放電や短絡発生後にはこれまでとは別の体積（別の気体）の加熱を開始する。そのため、強い流動が伴う点火では複数の小さな火炎核が形成される。形成された個別の火炎核はサイズが小さいため、火炎伸張の影響を大きく受け、リーン条件では層流燃焼速度が大きく低下する。その結果、火炎核のいくつかは個別に流され消炎し、効果的に点火に寄与していない。

また、場の条件によっては、図１（ｂ）のように、放電路が長くなったときに、放電切れ前に放電路がもつれ、放電路が短絡する場合もある（短絡）。この短絡が起こった場合にも、そこに新たな火炎核が生じ、独立した火炎核が複数生じることになる。

このように、強い流動状態での希薄燃焼においては、スパークプラグの放電が効果的に点火に寄与していない場合がある。従って、より効果的な燃焼を行える火花放電点火装置が望まれる。

本発明は、エンジンのシリンダ内に配置され、シリンダ内の混合気に火花放電点火を行うスパークプラグと、前記スパークプラグによる火花放電部分より、シリンダ内気流の下流側にレーザ光を照射して火花点火を支援するレーザ光源と、前記スパークプラグによる火花放電が発生した後の段階で、レーザ光を照射するよう前記レーザ光源を制御する制御部と、を含む。

また、前記制御部は、前記スパークプラグによる火花放電が発生した時点から所定時間経過後にレーザ光を照射するように、前記レーザ光源を制御することが好適である。

また、前記制御部は、前記スパークプラグの電圧または電流を検出し、検出結果に基づいて、前記スパークプラグによる複数の放電の中間の時点でレーザ光を照射するように、前記レーザ光源を制御することが好適である。

また、複数の放電の中間の時点でレーザ光を照射することで、複数の火花放電によって生じた火炎核を合一させることが好適である。

本発明では、火花放電点火後において、下流側にレーザを照射することで、複数の火炎核の隙間を埋めるようにレーザ点火が行え、複数の火炎核を合一させ、 火炎核の早期成長を図り、火炎伸張による消炎を抑制することができる。

多重放電の状況を説明する図である。 エンジンへ設けた火花放電点火装置の構成を示す模式図である。 レーザ点火を説明する図である。 レーザ点火制御のフローチャートである。 点火回路の構成を示す図である。 ２次側電圧電流波形を示す図である。 絶縁破壊、短絡、再放電の状態を示す図である。 他の実施形態の動作を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「第１の実施形態」
図２に、本発明の第１実施形態に係る火花放電点火装置１０の一例を示す。本実施形態に係る火花放電点火装置１０は、ガソリンエンジンなどの内燃機関に備えられている。内燃機関は、ピストン１２とシリンダ１４とを備え、ピストン１２は、シリンダ１４の内部に往復移動可能に収納されている。ピストン１２の上死点はシリンダ１４の頂部であるシリンダヘッド１６の内壁から所定距離離れており、シリンダ１４内のピストン１２の上方空間が燃焼室１８となる。シリンダヘッド１６には、スパークプラグ２０と、レーザ光源２２が設けられている。なお、シリンダヘッド１６には、図示を省略した吸気弁および排気弁が設けられ、これらを通じて燃焼室１８への混合気の吸気、燃焼排ガスの排出が行われる。

火花放電点火装置１０は、シリンダヘッド１６に設けられているスパークプラグ２０およびレーザ光源２２を含み、レーザ光源２２はレーザ光２４をスパークプラグ２０の気流方向の下流側に向けて照射する。通常は、吸気弁からの混合気が吸気されるため、図における左側に吸気弁が配置され、レーザ光源２２は、スパークプラグ２０の吸気弁より遠い側にレーザ光を照射する。また、スパークプラグ２０には、点火回路３０が接続されており、点火回路３０からの高電圧によって、スパークプラグ２０が放電する。また、点火回路３０における二次側（スパークプラグ２０に高電圧を供給する側）の電圧電流波形が制御部３２に供給され、制御部３２がレーザ光源２２におけるレーザ光２４の照射を制御する。なお、レーザ光源２２には、エンジンのレーザ点火装置として提案されているものが採用でき、レーザ発振器および集光光学系を含み、レーザ発振器からのレーザを混合気の点火したい位置に集光してエネルギーを集中させて点火する。また、レーザ発振器には、Ｑスイッチ式固体レーザなどを利用することができる。

吸気工程においては、吸気弁により吸気口が開くとともにピストン１２が下降することで、吸気口から燃焼室１８内に吸気ガスが導入される。これと同時期に、吸気口付近に配置されている燃料噴射弁（図示せず）から吸気口に燃料が噴射され、吸気ガスと混合することにより、燃焼室１８に混合気が導入される。圧縮工程においては、吸気弁が閉じてピストン１２の上昇により混合気が圧縮される。

混合気が燃焼室１８に導入される際に、燃焼室１８において混合気が気流（流動）を形成する。例えば、図２の矢印で示すような、縦渦の気流（タンブル流とも呼ばれる）が生じる。なお、燃焼室１８の内部に形成される気流は、ピストン１２の運動方向に対して略垂直な横渦の気流（スワール流とも呼ばれる）、または、縦渦の気流と横渦の気流とが合成された気流であってもよい。

このようにして形成された気流は、吸気工程の後、圧縮工程を経て点火時期に達した場合でも、燃焼室１８に残存する。

燃焼室１８において圧縮された混合気は、本実施形態に係る火花放電点火装置１０によって着火される。燃焼後のガスは、排気工程において排気弁が開くことで、排気口から排出される。

ここで、図１に示したように、リーン条件の高気流下では、小さな火炎核が複数生成し、これらが独立して消炎するため、十分な点火が行えない場合がある。本実施形態においては、レーザ光源２２を有しており、このレーザ光源２２からレーザ光２４を照射することで火炎核を追加する。すなわち、図３（ａ）に示すように、最初の放電によって生じる１ｓｔ火炎核と、再放電や短絡によって生じる２ｎｄ火炎核の間にレーザ照射によって新たな火炎核を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、レーザ照射によって形成された火炎核が成長し、図３（ｃ）に示すように、３つの火炎核が合一化する。このように、複数の火炎核が合一化することで、火炎核の成長を早期化することができ、火炎核の伸張による消炎を抑制することができる。なお、図３においては、表記の便宜上レーザ光源２２を下側に示してある。

「レーザ照射のタイミング制御」
次に、レーザ光源２２におけるレーザ照射のタイミング制御について図４のフローチャートに基づいて説明する。

電圧、電流波形より再放電/短絡を確認後火炎核の間を埋めるようレーザ照射による点火を行う。

スパークプラグ２０における火花放電のための電圧印加の開始に応じて本制御を起動する。具体的には、後述する点火回路３０の１次側の充電開始信号などにより本制御を起動する。

まず、スパークプラグ２０における絶縁破壊を検出する（Ｓ１１）。絶縁破壊を検出したら、タイマーＩの値、経過時間ｔ１を０．００ｍｓにリセットし（Ｓ１２）、タイマーＩによる計時を開始する。そして、現状のエンジン回転数Ｎｅとスロットル開度ＴＨに応じた遅れ時間τを予め作成したマップより呼び出す（Ｓ１３）。すなわち、適正な遅れ時間τは電極付近の気流速度、レーザ入射位置により変化するため、エンジン機種ごとに予め回転数、負荷（スロットル開度）に応じた遅れ時間τのマップを作成しておき、このマップに基づいて遅れ時間τを決定する。

次に、タイマーＩで計測した経過時間ｔ１が０．５ｍｓを経過したかを判定し（Ｓ１４）、経過していなかった場合には、再放電／短絡の検知を行い（Ｓ１５）、検知されなかった場合Ｓ１４に戻る。そして、Ｓ１４において、０．５ｍｓを超えた場合には、制御を終了する。すなわち、再放電／短絡待ちは経過時間ｔ１が０．５ｍｓまでとし、それまでに再放電／短絡が見られなかった場合、制御は終了する。これは、一般的なエンジン筒内の火花放電は０．５ｍｓまでに主要部は終了するからであるが、エンジンに応じて適切な時間に設定するとよい。

Ｓ１５において、Ｙｅｓであり、再放電／短絡を検知した場合には、タイマ−ＩＩの値ｔ２を０．００ｍｓにリセットし、タイマーＩＩの計時を開始する（Ｓ１６）。そして、タイマーＩＩにおいて、ｔ２＝τに至ったかを判定し（Ｓ１７）、至った場合には、レーザ照射を行い（Ｓ１８）、Ｓ１４の判定に戻る。これによって、経過時間ｔ１＝０．５ｍｓに至るまでに、再放電／短絡が生じた場合には、その再放電／短絡後に遅れ時間τを経過した場合には、レーザ照射が行われる。

図５に、点火回路３０の構成を示す。電源３４は、イグニッションスイッチ、イグナイタ３６を介してイグニッションコイル３８に電気的に接続されている。イグニッションコイル３８は１次側コイル４０と２次側コイル４２とで構成され、２次側コイル４２に高電圧を生じさせることができる。２次側コイル４２はスパークプラグ２０の中心電極と電気的に接続されており、中心電極に対し接地電極が対向しており、両電極間で放電が起きる。なお、電流計４４により２次側電流、電圧計４６により２次側電圧が計測される。

充電開始信号によって、イグナイタ３６が所定の充電時間オンし、イグニッションコイル３８の１次側コイル４０に１次電流が流れる。１次側コイル４０に所定のエネルギが蓄えられた時点で、イグナイタ３６をオフにして１次側コイル４０への電流供給を急激にストップする。これによって、２次側コイル４２に大きな２次電圧が発生し、スパークプラグ２０に印加され、中心電極と接地電極との間の空隙において絶縁破壊が起こる。

図６に、イグニッションコイル３８の２次側の電圧、電流およびレーザ照射のトリガの信号波形を示す。

１次側コイル４０が電源３４から切り離されることで、２次側電圧が急激に上昇する。これによって、スパークプラグ２０において、絶縁破壊が起こり、２次側電圧は急激にさがる。その後、２次側電圧は、放電路が長くなるに従って上昇する。

図６の例では、２次側電圧の上昇後、短絡による放電が起こる場合を示してある。この短絡によって、新たな放電路が形成され、２次側電圧が一旦下がるが、放電路の伸び量に応じて、２次電圧がまた上昇してくる。図においては、次に再放電が生起する場合を示してある。再放電によって、２次側電流は一旦０になるが、また立ち上がる。なお、再放電、短絡のいずれが起きるかは、スパークプラグ２０の置かれた条件によるが、本実施形態では、いずれでも処理は変わらないので、問題はない。また、再放電／短絡により、火炎核の位置が異なることがわかっていれば、２次側電流値によりこれを識別して、遅れ時間τを変更してもよい。なお、再放電／短絡が生じなかった場合でも、タイマーＩによる所定の経過時間ｔ１（この例では０．５ｍｓ）の経過で処理を終了するので問題ない。

本実施形態では、２次側の電圧電流波形により、絶縁破壊、再放電／短絡を検出する。すなわち、２次側電圧の急激な立ち下がりによって、絶縁破壊、再放電／短絡を検出することができ、また２次側電流の急激な立ち上がりによって検出することもでき、両者を組み合わせることもできる。

「システムの妥当性確認と遅れ時間の目安」
本実施形態では、電圧電流波形によって放電路の状態を把握し、レーザー照射タイミングを制御する。この手法が、高気流・リーン条件で有効であることを確認するため、電極間流速６０ｍ／ｓ，Ａ／Ｆ（空燃比）：２４（燃料：イソオクタン）での点火時の２次側の電流電圧波形計測および点火栓近傍のシャドウグラフ撮影を同時に行った。

その結果を図７に示す。２次側電圧値の急激な低下および電流値の一時的な増加のタイミングが絶縁破壊、短絡、再放電のシャドウグラフ画像取得時刻と対応しており、上述のような制御の妥当性が確認された。

なお、図７に示した試験では上記の計測を５０サイクル／分行った。その結果、再放電／短絡が発生する時間間隔は７０〜１３０μｓであった。よって、本条件の場合レーザトリガの遅れ時間τは７０〜１３０μｓを上限値として設定するとよい。例えば、τ＝１０〜６０μｓ程度の範囲で設定することが好適であり、実際のエンジンの状態などを考慮して決定することが好ましい。

ここで、再放電と短絡の識別は、シャドウグラフ画像での発光強度の違いより行うことができる。図７における２７０μｓでは、再放電が起きている。本来、再放電前には放電切れが発生するため電流値は一旦０に落ちるが、本計測では時間分解能不足のため電流値は０に落ちなかった。しかし、図に示すように、短絡時には見られなかった再放電前の電流値の一時的な落ち込みは確認された。これより、電流値の計測結果に基づいて、再放電／短絡を識別できることが確認された。

「変形例」
他の実施形態に係る構成例を図８に示す。この例では、レーザ光源２２を２つ設けて、２つ以上の場所において、レーザ照射による火炎核を発生させる。火花放電により形成される火炎核の間隔が広い場合などに、２点以上のレーザ点火にて火炎核の合一化を図ることができる。また、レーザ光は、図８（ｂ）に示すように、平行であって、気流の下流側の２点でレーザ点火を行ってもよいし、図８（ｃ）に示すように、シリンダ内に向かう方向で複数点にレーザ点火してもよい。図８（ｃ）の場合、レーザ光源２２はシリンダヘッド１６に設けるため、少なくとも１つのレーザ照射方向を斜めとすることが好ましい。

「実施形態の効果」
本実施形態によれば、強い混合気流動場での点火時に形成される複数の小さな火炎核をレーザ点火により合一させ、火炎の個別の消炎を抑制することができる。強い混合気流動場での火花放電点火では、絶縁破壊、短絡、再放電毎に火炎核が形成されるため、点火過程全体では複数の火炎核が形成される。形成された個別の火炎核はサイズが小さいため、高気流による火炎伸張の影響を大きく受け、リーン条件では層流燃焼速度が大きく低下する。その結果、火炎核のいくつかは成長せず消炎し、効果的に点火に寄与していない。本実施形態によれば、強い混合気流動場での点火時に形成される複数の小さな火炎核をレーザ点火により合一させ、火炎の個別の消炎を抑制することができる。

１０ 火花放電点火装置、１２ ピストン、１４ シリンダ、１６ シリンダヘッド、１８ 燃焼室、２０ スパークプラグ、２２ レーザ光源、２４ レーザ光、３０ 点火回路、３２ 制御部、３４ 電源、３６ イグナイタ、３８ イグニッションコイル、４０ １次側コイル、４２ ２次側コイル、４４ 電流計、４６ 電圧計。

Claims (4)

1. エンジンのシリンダ内に配置され、シリンダ内の混合気に火花放電点火を行うスパークプラグと、
   前記スパークプラグによる火花放電部分より、シリンダ内気流の下流側にレーザ光を照射して火花点火を支援するレーザ光源と、
   前記スパークプラグによる火花放電が発生した後の段階で、レーザ光を照射するよう前記レーザ光源を制御する制御部と、
   を含む火花放電点火装置。
2. 請求項１に記載の火花放電点火装置であって、
   前記制御部は、前記スパークプラグによる火花放電が発生した時点から所定時間経過後にレーザ光を照射するように、前記レーザ光源を制御する、
   火花放電点火装置。
3. 請求項１または２に記載の火花放電点火装置であって、
   前記制御部は、前記スパークプラグの電圧または電流を検出し、検出結果に基づいて、前記スパークプラグによる複数の放電の中間の時点でレーザ光を照射するように、前記レーザ光源を制御する、
   火花放電点火装置。
4. 請求項３に記載の火花放電点火装置であって、
   複数の放電の中間の時点でレーザ光を照射することで、複数の火花放電によって生じた火炎核を合一させる、
   火花放電点火装置。