JP2018132032A - Ignition device for internal combustion engine - Google Patents

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JP2018132032A JP2017028015A JP2017028015A JP2018132032A JP 2018132032 A JP2018132032 A JP 2018132032A JP 2017028015 A JP2017028015 A JP 2017028015A JP 2017028015 A JP2017028015 A JP 2017028015A JP 2018132032 A JP2018132032 A JP 2018132032A
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木下 雅夫
Masao Kinoshita
雅夫 木下
真 永岡
Makoto Nagaoka
真 永岡
芳樹 高鳥
Yoshiki Takatori
芳樹 高鳥
冬頭 孝之
Takayuki Fuyugashira
孝之 冬頭
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To stably operate an internal combustion engine by maintaining and promoting ignition in accordance with atmosphere pressure inside a combustion chamber of the internal combustion engine.SOLUTION: An ignition device 100 for an internal combustion engine includes: a first ignition plug 20 for forming a low-temperature plasma; and a second ignition plug 22 for forming thermal plasma with a translation temperature higher than the low-temperature plasma. The first ignition plug 20 is disposed upstream of an air flow relative to the second ignition plug 22 to generate low-temperature plasma with the first ignition plug 20 and then generate thermal plasma with the second ignition plug 22.SELECTED DRAWING: Figure 1A

Description

本発明は、内燃機関の点火装置に関する。   The present invention relates to an ignition device for an internal combustion engine.

絶縁碍子によって絶縁保持された中心電極(点火電極)と接地電極とを備え、中心電極と接地電極の間に電圧を印加することによって火花を発生させる内燃機関の点火装置(点火プラグ)が知られている。   An internal combustion engine ignition device (ignition plug) that includes a center electrode (ignition electrode) that is insulated and held by an insulator and a ground electrode, and generates a spark by applying a voltage between the center electrode and the ground electrode is known. ing.

燃焼室内に供給された混合気に火花点火する際、ガス密度が比較的高いときはコロナ放電により発生させた低温プラズマによる点火がアーク放電により発生させた熱プラズマによる点火よりも着火遅れ時間を短縮することができる。そこで、点火時期における燃焼室内のガス密度が所定値以上となる運転条件のときには少なくとも低温プラズマを発生させて点火する内燃機関の点火装置が開示されている(特許文献1)。   When the gas mixture is spark-ignited when the gas density is relatively high, ignition by low temperature plasma generated by corona discharge reduces ignition delay time compared to ignition by thermal plasma generated by arc discharge can do. Therefore, an ignition device for an internal combustion engine that ignites by generating at least low-temperature plasma under an operating condition in which the gas density in the combustion chamber at the ignition timing is a predetermined value or more is disclosed (Patent Document 1).

特開2013−238129号公報JP 2013-238129 A

ところで、低温プラズマによる点火を行う場合、燃焼室内の圧力の増加に伴ってプラズマの電子温度が低下するために着火性能(着火遅れ時間の低減率)が低下するという問題がある。   By the way, when performing ignition with low-temperature plasma, there is a problem that the ignition performance (reduction rate of ignition delay time) decreases because the electron temperature of the plasma decreases as the pressure in the combustion chamber increases.

本発明の1つの態様は、燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火装置であって、低温プラズマを形成させる第1点火プラグと、低温プラズマよりも並進温度の高い熱プラズマを形成させる第2点火プラグと、を備え、前記第1点火プラグによって低温プラズマを発生させた後に前記第2点火プラグによって熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置である。   One aspect of the present invention is an ignition device for an internal combustion engine that ignites fuel in a combustion chamber, and includes a first spark plug that forms a low-temperature plasma and a first plasma that forms a thermal plasma having a higher translation temperature than the low-temperature plasma. An ignition device for an internal combustion engine, comprising: two ignition plugs, wherein low temperature plasma is generated by the first ignition plug and then thermal plasma is generated by the second ignition plug.

ここで、前記第1点火プラグは、前記第2点火プラグより気流の上流側に配置されていることが好適である。   Here, it is preferable that the first spark plug is disposed on the upstream side of the airflow from the second spark plug.

また、前記燃焼室内の圧力に応じて、前記第1点火プラグに印加される電圧及び時間の少なくとも1つを制御することが好適である。   In addition, it is preferable to control at least one of a voltage and a time applied to the first spark plug according to the pressure in the combustion chamber.

また、前記燃焼室内の燃料の点火時期における圧力が増加するにつれて前記第1点火プラグに印加される電圧を高くする、又は、前記第1点火プラグへの電圧の印加時間を長くすることが好適である。   Further, it is preferable to increase the voltage applied to the first spark plug as the pressure at the ignition timing of the fuel in the combustion chamber increases, or to increase the application time of the voltage to the first spark plug. is there.

本発明の別の態様は、燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火装置であって、絶縁体で隔てられた点火電極と接地電極を有する点火プラグを備え、前記点火プラグによって低温プラズマを発生させた後に前記点火プラグによって熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置である。   Another aspect of the present invention is an ignition device for an internal combustion engine that ignites fuel in a combustion chamber, and includes an ignition plug having an ignition electrode and a ground electrode separated by an insulator, and low temperature plasma is generated by the ignition plug. An ignition apparatus for an internal combustion engine, characterized in that after being generated, thermal plasma is generated by the ignition plug.

ここで、前記点火電極に第1電圧を第1時間に亘って、又は断続的に印加することによって低温プラズマを発生させた後、前記点火電極に前記第1電圧より高い第2電圧を前記第1時間より長い第2時間に亘って熱プラズマを発生させることが好適である。   Here, after generating a low temperature plasma by applying a first voltage to the ignition electrode over a first time or intermittently, a second voltage higher than the first voltage is applied to the ignition electrode. It is preferred to generate the thermal plasma for a second time longer than one hour.

また、前記点火電極に高周波電圧を印加することによって低温プラズマを発生させた後、前記点火電極に直流電圧を印加することによって熱プラズマを発生させることが好適である。   In addition, it is preferable to generate a low temperature plasma by applying a high frequency voltage to the ignition electrode, and then generate a thermal plasma by applying a DC voltage to the ignition electrode.

また、前記点火電極又は前記接地電極に凸部又は凹部が設けられていることが好適である。   In addition, it is preferable that a convex portion or a concave portion is provided on the ignition electrode or the ground electrode.

本発明によれば、内燃機関の燃焼室内の雰囲気圧力に応じて着火を維持及び促進させ、安定して内燃機関を運転させることができる。   According to the present invention, ignition can be maintained and promoted according to the atmospheric pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine, and the internal combustion engine can be operated stably.

第1の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成を示す透過側面図である。It is a permeation | transmission side view which shows the structure of the ignition system of the internal combustion engine in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the ignition system of the internal combustion engine in 1st Embodiment. 圧力と電子温度及び着火遅れ時間低減率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a pressure, electron temperature, and an ignition delay time reduction rate. 電子衝突反応計算に用いる化学反応式を示す図である。It is a figure which shows the chemical reaction formula used for an electron collision reaction calculation. 電子温度をパラメータとして圧力と電界強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a pressure and an electric field strength by using electronic temperature as a parameter. 圧力をパラメータとして時間と電子モル分率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between time and an electronic mole fraction by using a pressure as a parameter. 第1の実施の形態における内燃機関の点火システムの制御方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the control method of the ignition system of the internal combustion engine in 1st Embodiment. 第2の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ignition system of the internal combustion engine in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態における内燃機関の点火システムの制御方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the control method of the ignition system of the internal combustion engine in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態における内燃機関の点火システムでの低温プラズマの発生状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the generation | occurrence | production state of the low temperature plasma in the ignition system of the internal combustion engine in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態における内燃機関の点火システムでの熱プラズマの発生状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the generation state of the thermal plasma in the ignition system of the internal combustion engine in 2nd Embodiment. 第3の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ignition system of the internal combustion engine in 3rd Embodiment. 第3の実施の形態における内燃機関の点火システムの制御方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the control method of the ignition system of the internal combustion engine in 3rd Embodiment. 第3の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成の別例を示す図である。It is a figure which shows another example of a structure of the ignition system of the internal combustion engine in 3rd Embodiment. 第3の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成の別例を示す図である。It is a figure which shows another example of a structure of the ignition system of the internal combustion engine in 3rd Embodiment.

[第1の実施の形態]
第1の実施の形態における内燃機関の点火システム100は、図1(図1A及び図1B)に示すように、ピストン12、シリンダ14、シリンダヘッド16、燃焼室18、第1点火プラグ20、第2点火プラグ22、圧力センサ24、点火回路26及び制御部28を含んで構成される。
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1 (FIGS. 1A and 1B), an ignition system 100 for an internal combustion engine in the first embodiment includes a piston 12, a cylinder 14, a cylinder head 16, a combustion chamber 18, a first spark plug 20, and a first spark plug 20. Two ignition plugs 22, a pressure sensor 24, an ignition circuit 26 and a control unit 28 are included.

燃焼室18は、ピストン12、シリンダ14及びシリンダ14の頂部であるシリンダヘッド16によって形成される。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。シリンダヘッド16には、第1点火プラグ20、第2点火プラグ22、吸気弁(図示しない)及び排気弁(図示しない)が配置されている。燃焼室18は、吸気弁を介して吸気口(図示しない)と接続し、排気弁を介して排気口(図示しない)と接続している。   The combustion chamber 18 is formed by the piston 12, the cylinder 14, and the cylinder head 16 that is the top of the cylinder 14. The piston 12 is accommodated in the cylinder 14 so as to be reciprocally movable. The cylinder head 16 is provided with a first spark plug 20, a second spark plug 22, an intake valve (not shown) and an exhaust valve (not shown). The combustion chamber 18 is connected to an intake port (not shown) via an intake valve, and is connected to an exhaust port (not shown) via an exhaust valve.

なお、図1Aは、シリンダヘッド16に配置された第1点火プラグ20及び第2点火プラグ22を側面からみた透過側面図を示し、図1Bは、燃焼室18をシリンダヘッド16側から見た第1点火プラグ20及び第2点火プラグ22の配置を示す。図1A及び図1Bに示すように、第1点火プラグ20及び第2点火プラグ22は燃焼室18内に向けて近接配置される。   1A shows a transparent side view of the first spark plug 20 and the second spark plug 22 arranged on the cylinder head 16 as seen from the side, and FIG. 1B shows the first view of the combustion chamber 18 seen from the cylinder head 16 side. The arrangement of the first spark plug 20 and the second spark plug 22 is shown. As shown in FIGS. 1A and 1B, the first spark plug 20 and the second spark plug 22 are disposed close to the combustion chamber 18.

吸気工程においては、吸気弁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。燃焼室18において圧縮された混合気は、第1点火プラグ20及び第2点火プラグ22によって発生される火花によって点火されて燃焼する。燃焼後のガスは、排気工程において排気弁が開くことで、燃焼室18から排気口へ排出される。   In the intake step, intake gas is introduced into the combustion chamber 18 from the intake port by opening the intake valve and lowering the piston 12. At the same time, fuel is injected into the intake port from a fuel injection valve (not shown) disposed at the intake port and mixed with intake gas, whereby the air-fuel mixture is introduced into the combustion chamber 18. In the compression process, the intake valve is closed and the air-fuel mixture is compressed as the piston 12 rises. The air-fuel mixture compressed in the combustion chamber 18 is ignited and burned by the sparks generated by the first spark plug 20 and the second spark plug 22. The burned gas is discharged from the combustion chamber 18 to the exhaust port by opening the exhaust valve in the exhaust process.

第1点火プラグ20及び第2点火プラグ22は、点火回路26に接続される。点火回路26は、第1点火プラグ20及び第2点火プラグ22のそれぞれに対して電圧を印加することによって燃焼室18内に火花を発生させる。点火回路26は、制御部28によって制御される。制御部28は、圧力センサ24によって測定された燃焼室18内の圧力を受けて、当該圧力に応じて点火回路26を制御する。   The first spark plug 20 and the second spark plug 22 are connected to the ignition circuit 26. The ignition circuit 26 generates a spark in the combustion chamber 18 by applying a voltage to each of the first spark plug 20 and the second spark plug 22. The ignition circuit 26 is controlled by the control unit 28. The control unit 28 receives the pressure in the combustion chamber 18 measured by the pressure sensor 24, and controls the ignition circuit 26 according to the pressure.

本実施の形態における内燃機関の点火システム100では、第1点火プラグ20によって燃料(混合気)の低温プラズマを発生させ、第2点火プラグ22によって低温プラズマよりも並進温度の高い熱プラズマを発生させることで、燃料の着火反応を維持及び促進させる。   In the internal combustion engine ignition system 100 according to the present embodiment, a low temperature plasma of fuel (air mixture) is generated by the first spark plug 20, and a thermal plasma having a higher translation temperature than the low temperature plasma is generated by the second spark plug 22. Thus, the ignition reaction of the fuel is maintained and promoted.

プラズマは、気体分子が電離して、電子と陽イオンが独立に運動する状態である。そのため、電子のエネルギを表す電子温度、原子相互の振動エネルギと回転エネルギを表す振動温度と回転温度、通常のガス温度に相当する並進温度の4種類の温度が存在する。プラズマに供給されたエネルギは電子・振動・回転・並進の順に伝わる。回転と並進の間ではエネルギの交換が容易であるので、両者の温度は同等の水準となる。低温プラズマは、非熱平衡であり、電子・振動・回転(並進)の温度が異なる。低温プラズマとしては、ストリーマ放電、ナノパルス放電、高周波放電がある。一方、熱プラズマは、熱平衡であり、電子・振動・回転(並進)の温度が同等である。熱プラズマとしては、火花放電がある。   Plasma is a state in which gas molecules are ionized and electrons and cations move independently. For this reason, there are four types of temperatures: an electron temperature representing the energy of electrons, a vibration temperature and a rotational temperature representing the vibration energy and rotational energy between atoms, and a translation temperature corresponding to a normal gas temperature. The energy supplied to the plasma is transmitted in the order of electrons, vibration, rotation, and translation. Since the exchange of energy is easy between rotation and translation, the temperatures of both are at the same level. Low-temperature plasma is non-thermally balanced and has different temperatures for electrons, vibration, and rotation (translation). Low temperature plasma includes streamer discharge, nanopulse discharge, and high frequency discharge. On the other hand, thermal plasma is in thermal equilibrium and has the same temperature of electron, vibration, and rotation (translation). There is a spark discharge as the thermal plasma.

低温プラズマ形成時の着火遅れ時間は、雰囲気圧力と電子温度の関数で決められる。すなわち、図2に示すように、雰囲気圧力の増加に伴って電子温度が低下するため、着火遅れ時間低減率も低下する。ここで、着火遅れ時間低減率とは、数式(1)で表される。
The ignition delay time during the formation of the low temperature plasma is determined by a function of the atmospheric pressure and the electron temperature. That is, as shown in FIG. 2, since the electron temperature decreases as the atmospheric pressure increases, the ignition delay time reduction rate also decreases. Here, the ignition delay time reduction rate is expressed by Equation (1).

なお、着火遅れ時間低減率は、以下の手順で事前に求めることができる。(1)与えられた電界強度、雰囲気圧力、混合気組成(例えば、ガス組成CH/O/H=1:2:8、当量比1、初期ガス温度1200K)に対し、電子ボルツマン方程式を解いて定常状態(平行状態)での平均電子温度を求める。(2)得られた平均電子温度のもとで電子衝突反応計算を行い、電圧印加中の各ラジカル、イオン、電子濃度の時間履歴を求める。電子衝突反応計算は、図3に示す化学反応式に基づいて行う。(3)電圧印加終了時に得られたガス組成を初期条件として、燃焼反応計算を行い、着火遅れ時間を算出する。(4)電圧無印加時の着火遅れ時間に対する低減率を求める。 The ignition delay time reduction rate can be obtained in advance by the following procedure. (1) For a given electric field strength, atmospheric pressure, and gas mixture composition (for example, gas composition CH 4 / O 2 / H 2 = 1: 2: 8, equivalence ratio 1, initial gas temperature 1200 K), the electron Boltzmann equation To obtain the average electron temperature in the steady state (parallel state). (2) An electron collision reaction calculation is performed under the obtained average electron temperature, and a time history of each radical, ion, and electron concentration during voltage application is obtained. The electron collision reaction calculation is performed based on the chemical reaction formula shown in FIG. (3) A combustion reaction calculation is performed using the gas composition obtained at the end of voltage application as an initial condition, and an ignition delay time is calculated. (4) The reduction rate with respect to the ignition delay time when no voltage is applied is obtained.

そこで、本実施の形態の制御部28は、第1点火プラグ20によって低温プラズマを形成させる際に雰囲気圧力に応じて電界強度を変化させて電子温度を一定以上に維持する制御を行う。制御部28は、圧力センサ24から燃焼室18内の雰囲気圧力の測定値を受けて、当該雰囲気圧力が高くなるにつれて点火回路26から第1点火プラグ20へ印加される電圧を高めるような制御を行う。   Therefore, when the low temperature plasma is formed by the first spark plug 20, the control unit 28 according to the present embodiment performs control to change the electric field strength according to the atmospheric pressure and maintain the electron temperature above a certain level. The control unit 28 receives the measured value of the atmospheric pressure in the combustion chamber 18 from the pressure sensor 24 and performs control to increase the voltage applied from the ignition circuit 26 to the first spark plug 20 as the atmospheric pressure increases. Do.

例えば、第1点火プラグ20の中心電極に電圧を印加し、電界0.5kV/mmを与えた条件下において、雰囲気圧力0.5MPa(5atm)のときの着火遅れ時間低減率は50%であり、そのときの電子温度は5000Kである。電界0.5kV/mmを維持した場合、雰囲気圧力0.8MPa(8atm)に増加すると電子温度は3000Kになり、着火遅れ時間低減率は0%となる。このように、雰囲気圧力の増加に伴って、電子温度は低下し、着火遅れ時間低減率も低下する。そこで、図4に示す雰囲気圧力と電界強度の組み合わせと電子温度との関係に基づいて第1点火プラグ20へ印加する電圧を制御する。例えば、雰囲気圧力0.6MPa(6atm)に増加した場合、電子温度を5000K及び着火遅れ時間低減率を50%に維持するためには電界強度が0.6kV/mmとなるように第1点火プラグ20に印加する電圧を高くする制御を行う。   For example, under a condition where a voltage is applied to the center electrode of the first spark plug 20 and an electric field of 0.5 kV / mm is applied, the ignition delay time reduction rate at an atmospheric pressure of 0.5 MPa (5 atm) is 50%. The electron temperature at that time is 5000K. When the electric field is maintained at 0.5 kV / mm, when the atmospheric pressure is increased to 0.8 MPa (8 atm), the electron temperature becomes 3000 K, and the ignition delay time reduction rate becomes 0%. Thus, as the atmospheric pressure increases, the electron temperature decreases and the ignition delay time reduction rate also decreases. Therefore, the voltage applied to the first spark plug 20 is controlled based on the relationship between the combination of the atmospheric pressure and the electric field strength shown in FIG. For example, when the atmospheric pressure is increased to 0.6 MPa (6 atm), in order to maintain the electron temperature at 5000 K and the ignition delay time reduction rate at 50%, the first spark plug is set so that the electric field strength is 0.6 kV / mm. Control is performed to increase the voltage applied to 20.

また、図5に示すように、電子モル分率(電子濃度)は、第1点火プラグ20への電圧印加(電界形成)後に一定の時間で飽和する。そこで、本実施の形態の制御部28は、第1点火プラグ20によって低温プラズマを形成させる際に雰囲気圧力に応じて電界が形成される時間幅を変える制御を行う。制御部28は、圧力センサ24から燃焼室18内の雰囲気圧力の測定値を受けて、当該雰囲気圧力が高くなるにつれて点火回路26から第1点火プラグ20へ電圧を印加する時間を長くするような制御を行う。   Further, as shown in FIG. 5, the electron mole fraction (electron concentration) saturates in a certain time after voltage application (electric field formation) to the first spark plug 20. Therefore, the control unit 28 of the present embodiment performs control to change the time width in which the electric field is formed according to the atmospheric pressure when the low temperature plasma is formed by the first spark plug 20. The control unit 28 receives the measured value of the atmospheric pressure in the combustion chamber 18 from the pressure sensor 24, and lengthens the time for applying the voltage from the ignition circuit 26 to the first spark plug 20 as the atmospheric pressure increases. Take control.

例えば、第1点火プラグ20の中心電極に電圧を印加し、電界0.5kV/mmを与えた条件下において、雰囲気圧力0.3MPa(3atm)のときの電子モル分率(電子濃度)の飽和時間は500μsであり、雰囲気圧力0.5MPa(5atm)のときの電子モル分率(電子濃度)の飽和時間は250μsである。そこで、雰囲気圧力が0.5MPaでは250μsの電圧パルスを複数回に分けて第1点火プラグ20に印加する。なお、一定濃度に達した電子は気流の影響により第1点火プラグ20の下流に移動するので、電圧パルスを複数回に分けて印加することが好適である。   For example, saturation of the electron mole fraction (electron concentration) when the atmospheric pressure is 0.3 MPa (3 atm) under the condition that a voltage is applied to the center electrode of the first spark plug 20 and an electric field of 0.5 kV / mm is applied. The time is 500 μs, and the saturation time of the electron mole fraction (electron concentration) when the atmospheric pressure is 0.5 MPa (5 atm) is 250 μs. Therefore, when the atmospheric pressure is 0.5 MPa, a voltage pulse of 250 μs is applied to the first spark plug 20 in a plurality of times. Since electrons that have reached a certain concentration move downstream of the first spark plug 20 due to the influence of the airflow, it is preferable to apply the voltage pulse in multiple times.

なお、雰囲気圧力と電子温度との関係及び雰囲気圧力と電子モル分率との関係は、内燃機関の点火システム100の構成やサイズ等によって変化する。したがって、内燃機関の点火システム100の構成やサイズに応じて雰囲気圧力と電子温度との関係及び雰囲気圧力と電子モル分率との関係を予め実験や解析で求めておき、その特性に基づいて制御を行うことが好適である。   The relationship between the atmospheric pressure and the electron temperature and the relationship between the atmospheric pressure and the electron mole fraction vary depending on the configuration and size of the ignition system 100 of the internal combustion engine. Therefore, the relationship between the atmospheric pressure and the electron temperature and the relationship between the atmospheric pressure and the electron mole fraction are determined in advance through experiments and analysis in accordance with the configuration and size of the ignition system 100 of the internal combustion engine, and control is performed based on the characteristics. Is preferably performed.

さらに、本実施の形態の制御部28は、第1点火プラグ20による低温プラズマの形成後に第2点火プラグ22によって熱プラズマが形成されるように制御を行う。具体的には、図6に示すように、第1点火プラグ20に対して低温プラズマを形成するための電圧パルスを印加した後、第2点火プラグ22に対して熱プラズマを形成するための電圧パルスを印加する。これにより、電子温度に加えて、並進温度を増加させて初期火炎の成長が促進される。   Furthermore, the control unit 28 of the present embodiment performs control so that thermal plasma is formed by the second spark plug 22 after the low temperature plasma is formed by the first spark plug 20. Specifically, as shown in FIG. 6, after applying a voltage pulse for forming a low temperature plasma to the first spark plug 20, a voltage for forming a thermal plasma to the second spark plug 22. Apply a pulse. Thereby, in addition to the electron temperature, the translation temperature is increased to promote the growth of the initial flame.

このとき、第1点火プラグ20は、第2点火プラグ22よりも気流の上流側に配置されていることが好適である(気流は図1の矢印で示す)。熱プラズマ(火花放電)形成時には、一定の濃度の電子が第2点火プラグ22の付近に存在するので絶縁破壊電圧が低下する。その結果、第2点火プラグ22による熱プラズマの形成が促進され、安定に維持される。   At this time, it is preferable that the first spark plug 20 is disposed on the upstream side of the airflow with respect to the second spark plug 22 (the airflow is indicated by an arrow in FIG. 1). When the thermal plasma (spark discharge) is formed, electrons having a constant concentration are present in the vicinity of the second spark plug 22, so that the dielectric breakdown voltage decreases. As a result, the formation of thermal plasma by the second spark plug 22 is promoted and maintained stably.

[第2の実施の形態]
第1の実施の形態では、第1点火プラグ20及び第2点火プラグ22の2つのプラグを用いて低温プラズマと熱プラズマを発生させる態様について説明したがこれに限定されるものではない。第2の実施の形態では、図7に示すように、電源30、スイッチング素子32及び点火プラグ34を用いる。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, the mode in which the low temperature plasma and the thermal plasma are generated using the two plugs of the first spark plug 20 and the second spark plug 22 has been described, but the present invention is not limited to this. In the second embodiment, a power source 30, a switching element 32, and a spark plug 34 are used as shown in FIG.

点火プラグ34は、図7の断面図に示すように、中心電極34a、接地電極34b及び絶縁体34cを含んで構成される。中心電極34aは、接地電極34bに対して電圧が印加される電極である。本実施の形態では、中心電極34aは、円柱形状の導電材料から形成される。接地電極34bは、電気的に接地される電極である。本実施の形態では、接地電極34bは、円筒形状の導電材料から形成される。中心電極34aと接地電極34bとの間は絶縁体34cによって電気的に絶縁される。接地電極34bは、中心に中心電極34aを通す孔が設けられた円盤形状の絶縁材料から形成される。接地電極34bは、絶縁体34cの周囲を取り囲むように配置される。これにより中心電極34aと接地電極34bとは同軸に配置され、中心電極34aと接地電極34bとの間には空隙Xが形成される。   As shown in the cross-sectional view of FIG. 7, the spark plug 34 includes a center electrode 34a, a ground electrode 34b, and an insulator 34c. The center electrode 34a is an electrode to which a voltage is applied to the ground electrode 34b. In the present embodiment, the center electrode 34a is formed from a cylindrical conductive material. The ground electrode 34b is an electrode that is electrically grounded. In the present embodiment, the ground electrode 34b is formed from a cylindrical conductive material. The center electrode 34a and the ground electrode 34b are electrically insulated by an insulator 34c. The ground electrode 34b is formed of a disk-shaped insulating material provided with a hole through which the center electrode 34a passes in the center. The ground electrode 34b is disposed so as to surround the periphery of the insulator 34c. As a result, the center electrode 34a and the ground electrode 34b are arranged coaxially, and a gap X is formed between the center electrode 34a and the ground electrode 34b.

なお、本実施の形態では、中心電極34aと接地電極34bとを同軸に配置した構成としたが、平板を平行に配置した構成等としてもよい。   In the present embodiment, the center electrode 34a and the ground electrode 34b are arranged coaxially. However, a structure in which flat plates are arranged in parallel may be used.

電源30及びスイッチング素子32は、点火回路26に含まれる。電源30は、所定の電圧を出力する直流電源とすることができる。スイッチング素子32は、制御部28からの制御により導通状態(オン状態)と遮断状態(オフ状態)とが切り替えられる。   The power supply 30 and the switching element 32 are included in the ignition circuit 26. The power source 30 can be a DC power source that outputs a predetermined voltage. The switching element 32 is switched between a conduction state (on state) and a cutoff state (off state) under the control of the control unit 28.

制御部28は、図8に示すように、燃料が燃焼室18に供給された後、電源30から点火プラグ34へ短時間の通電を単発又は断続的に行う。これにより、図9に示すように、中心電極34aと接地電極34bの間の空隙Xに低温プラズマが形成される。通電の電圧パルスの時間幅は、10μs以上1ms未満とすることが好適である。低温プラズマを形成した後、低温プラズマの形成時に印加した電圧パルスよりも長いパルス幅を有する電圧パルスを点火プラグ34へ印加する。通電の電圧パルスの時間幅は、0.1ms以上1ms以下とすることが好適である。これにより、図10に示すように、中心電極34aの先端部と接地電極34bの先端部との間に火花が発生し、その周辺に熱プラズマが形成される。   As shown in FIG. 8, after the fuel is supplied to the combustion chamber 18, the control unit 28 energizes the ignition plug 34 for a short time from the power source 30 once or intermittently. As a result, as shown in FIG. 9, low temperature plasma is formed in the gap X between the center electrode 34a and the ground electrode 34b. The time width of the energized voltage pulse is preferably 10 μs or more and less than 1 ms. After forming the low temperature plasma, a voltage pulse having a pulse width longer than the voltage pulse applied when forming the low temperature plasma is applied to the spark plug 34. The time width of the energized voltage pulse is preferably 0.1 ms to 1 ms. As a result, as shown in FIG. 10, a spark is generated between the tip of the center electrode 34a and the tip of the ground electrode 34b, and thermal plasma is formed around the spark.

低温プラズマを形成する場合、第1の実施の形態における制御部28による制御と同様の制御を行うことが好適である。すなわち、制御部28は、圧力センサ24から燃焼室18内の雰囲気圧力の測定値を受けて、当該雰囲気圧力が高くなるにつれて点火回路26から点火プラグ34へ印加される電圧を高めるような制御を行うことが好適である。この場合、点火回路26に電源30の出力電圧を昇圧する昇圧回路を設けてもよい。また、制御部28は、圧力センサ24から燃焼室18内の雰囲気圧力の測定値を受けて、当該雰囲気圧力が高くなるにつれて点火回路26から点火プラグ34へ電圧を印加する時間を長くするような制御を行うことが好適である。   When forming a low temperature plasma, it is preferable to perform the same control as the control by the control unit 28 in the first embodiment. That is, the control unit 28 receives the measured value of the atmospheric pressure in the combustion chamber 18 from the pressure sensor 24 and performs control to increase the voltage applied from the ignition circuit 26 to the ignition plug 34 as the atmospheric pressure increases. It is preferred to do so. In this case, the ignition circuit 26 may be provided with a booster circuit that boosts the output voltage of the power supply 30. Further, the control unit 28 receives the measured value of the atmospheric pressure in the combustion chamber 18 from the pressure sensor 24, and lengthens the time for applying the voltage from the ignition circuit 26 to the ignition plug 34 as the atmospheric pressure increases. It is preferable to perform control.

なお、第1の実施の形態のように圧力センサ24を設けることなく、低温プラズマの形成開始時の絶縁破壊電圧から燃焼室18内の雰囲気圧力を推定することも可能である。制御部28は、点火プラグ34に電圧を印加した後に絶縁破壊が生じたときの電圧に基づいて雰囲気圧力を推定する。例えば、絶縁破壊電圧と雰囲気圧力との関係を予め求めたマップを記憶させておき、それを参照することによって測定された絶縁破壊電圧に対応する雰囲気圧力を推定することができる。   Note that the atmospheric pressure in the combustion chamber 18 can be estimated from the dielectric breakdown voltage at the start of low-temperature plasma formation without providing the pressure sensor 24 as in the first embodiment. The controller 28 estimates the atmospheric pressure based on the voltage when dielectric breakdown occurs after applying a voltage to the spark plug 34. For example, it is possible to estimate the atmospheric pressure corresponding to the measured dielectric breakdown voltage by storing a map in which the relationship between the dielectric breakdown voltage and the atmospheric pressure is obtained in advance.

また、第1の実施の形態において、第1点火プラグ20の代わりに本実施の形態における点火プラグ34を適用してもよい。   Further, in the first embodiment, the spark plug 34 in the present embodiment may be applied instead of the first spark plug 20.

本実施の形態によれば、第1点火プラグ20及び第2点火プラグ22の2つの点火プラグを用いることなく、単一の点火プラグ34によって着火を維持及び促進させ、安定して内燃機関を運転させることができる。   According to the present embodiment, ignition is maintained and promoted by the single spark plug 34 without using the two spark plugs of the first spark plug 20 and the second spark plug 22, and the internal combustion engine is stably operated. Can be made.

[第3の実施の形態]
第2の実施の形態では、1つの電源30と1つのスイッチング素子32を用いる態様について説明したがこれに限定されるものではない。第3の実施の形態では、図11に示すように、点火プラグ34、第1電源40、第1スイッチング素子42、第2電源44及び第2スイッチング素子46を含んで構成される。
[Third Embodiment]
In the second embodiment, the mode using one power supply 30 and one switching element 32 has been described, but the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 11, the third embodiment includes a spark plug 34, a first power supply 40, a first switching element 42, a second power supply 44, and a second switching element 46.

第1電源40は、高周波電源である。第1電源40は、低温プラズマを発生させるために用いられる。第1スイッチング素子42は、制御部28からの制御によって、第1電源40から点火プラグ34へ高周波電圧を印加する導通状態(オン状態)と印加しない遮断状態(オフ状態)とが切り替えられる。第2電源44は、直流電源又は第1電源40より低周波の電源である。第2電源44は、熱プラズマを発生させるために用いられる。第2スイッチング素子46は、制御部28からの制御によって、第2電源44から点火プラグ34へ直流電圧(又は低周波電圧)を印加する導通状態(オン状態)と印加しない遮断状態(オフ状態)とが切り替えられる。   The first power supply 40 is a high frequency power supply. The first power supply 40 is used for generating low temperature plasma. The first switching element 42 is switched between a conduction state (on state) in which a high-frequency voltage is applied from the first power supply 40 to the spark plug 34 and a cutoff state (off state) in which the first switching element 42 is not applied. The second power source 44 is a DC power source or a power source having a frequency lower than that of the first power source 40. The second power supply 44 is used for generating thermal plasma. The second switching element 46 is in a conductive state (on state) in which a DC voltage (or low frequency voltage) is applied from the second power source 44 to the spark plug 34 under the control of the control unit 28 and in a disconnected state (off state) in which it is not applied. And can be switched.

制御部28は、図12に示すように、燃料が燃焼室18に供給された後、パルスAによって第1スイッチング素子42をオフ状態からオン状態に切り替える。これにより、第1電源40から点火プラグ34へ高周波電圧が印加される。したがって、図9に示したように、中心電極34aと接地電極34bの間の空隙Xに低温プラズマが形成される。低温プラズマを形成した後、第1スイッチング素子42はオフ状態に戻される。制御部28は、パルスBにより第2スイッチング素子46をオフ状態からオン状態に切り替える。これにより、第2電源44から直流電圧(又は低周波電圧)が点火プラグ34に印加される。したがって、図10に示したように、中心電極34aの先端部と接地電極34bの先端部との間に火花が発生し、その周辺に熱プラズマが形成される。   As shown in FIG. 12, the controller 28 switches the first switching element 42 from the off state to the on state by the pulse A after the fuel is supplied to the combustion chamber 18. As a result, a high frequency voltage is applied from the first power supply 40 to the spark plug 34. Therefore, as shown in FIG. 9, low temperature plasma is formed in the gap X between the center electrode 34a and the ground electrode 34b. After forming the low-temperature plasma, the first switching element 42 is returned to the off state. The control unit 28 switches the second switching element 46 from the off state to the on state by the pulse B. As a result, a DC voltage (or low frequency voltage) is applied to the spark plug 34 from the second power source 44. Therefore, as shown in FIG. 10, a spark is generated between the tip of the center electrode 34a and the tip of the ground electrode 34b, and thermal plasma is formed around the spark.

なお、図13及び図14に示すように、点火プラグ34の中心電極34aの形状を変更してもよい。図13に示す点火プラグ34では、中心電極34aの先端部付近に接地電極34bへ向けて凸部34dが設けられている。また、図14に示す点火プラグ34では、中心電極34aの先端部付近に凹部34eが設けられている。これによって、熱プラズマを発生させる際の放電が容易になる。   As shown in FIGS. 13 and 14, the shape of the center electrode 34a of the spark plug 34 may be changed. In the spark plug 34 shown in FIG. 13, a protrusion 34d is provided near the tip of the center electrode 34a toward the ground electrode 34b. Moreover, in the spark plug 34 shown in FIG. 14, the recessed part 34e is provided in the tip part vicinity of the center electrode 34a. This facilitates discharge when generating thermal plasma.

12 ピストン、14 シリンダ、16 シリンダヘッド、18 燃焼室、20 第1点火プラグ、22 第2点火プラグ、24 圧力センサ、26 点火回路、28 制御部、30 電源、32 スイッチング素子、34 点火プラグ、34a 中心電極、34b 接地電極、34c 絶縁体、34d 凸部、34e 凹部、40 第1電源、42 第1スイッチング素子、44 第2電源、46 第2スイッチング素子、100 点火システム(点火装置)。   12 piston, 14 cylinder, 16 cylinder head, 18 combustion chamber, 20 first spark plug, 22 second spark plug, 24 pressure sensor, 26 ignition circuit, 28 control unit, 30 power source, 32 switching element, 34 spark plug, 34a Center electrode, 34b Ground electrode, 34c Insulator, 34d Convex part, 34e Concave part, 40 1st power supply, 42 1st switching element, 44 2nd power supply, 46 2nd switching element, 100 Ignition system (ignition device).

Claims (8)

燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火装置であって、
低温プラズマを形成させる第1点火プラグと、
低温プラズマよりも並進温度の高い熱プラズマを形成させる第2点火プラグと、
を備え、
前記第1点火プラグによって低温プラズマを発生させた後に前記第2点火プラグによって熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置。
An internal combustion engine ignition device for igniting fuel in a combustion chamber,
A first spark plug for forming a low temperature plasma;
A second spark plug for forming a thermal plasma having a higher translation temperature than the low temperature plasma;
With
An ignition device for an internal combustion engine, wherein low temperature plasma is generated by the first spark plug and then thermal plasma is generated by the second spark plug.
請求項1に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記第1点火プラグは、前記第2点火プラグより気流の上流側に配置されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
An ignition device for an internal combustion engine according to claim 1,
The ignition device for an internal combustion engine, wherein the first spark plug is disposed on the upstream side of the airflow from the second spark plug.
請求項1又は2に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記燃焼室内の圧力に応じて、前記第1点火プラグに印加される電圧及び時間の少なくとも1つを制御することを特徴とする内燃機関の点火装置。
An ignition device for an internal combustion engine according to claim 1 or 2,
An ignition device for an internal combustion engine, wherein at least one of a voltage and a time applied to the first spark plug is controlled in accordance with a pressure in the combustion chamber.
請求項3に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記燃焼室内の燃料の点火時期における圧力が増加するにつれて前記第1点火プラグに印加される電圧を高くする、又は、前記第1点火プラグへの電圧の印加時間を長くすることを特徴とする内燃機関の点火装置。
An ignition device for an internal combustion engine according to claim 3,
As the pressure at the ignition timing of the fuel in the combustion chamber increases, the voltage applied to the first spark plug is increased, or the voltage application time to the first spark plug is increased. Engine ignition device.
燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火装置であって、
絶縁体で隔てられた点火電極と接地電極を有する点火プラグを備え、
前記点火プラグによって低温プラズマを発生させた後に前記点火プラグによって熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置。
An internal combustion engine ignition device for igniting fuel in a combustion chamber,
Comprising a spark plug having an ignition electrode and a ground electrode separated by an insulator;
An ignition apparatus for an internal combustion engine, wherein low temperature plasma is generated by the spark plug and then thermal plasma is generated by the spark plug.
請求項5に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記点火電極に第1電圧を第1時間に亘って、又は断続的に印加することによって低温プラズマを発生させた後、前記点火電極に前記第1電圧より高い第2電圧を前記第1時間より長い第2時間に亘って熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置。
An ignition device for an internal combustion engine according to claim 5,
After generating a low-temperature plasma by applying a first voltage to the ignition electrode over a first time or intermittently, a second voltage higher than the first voltage is applied to the ignition electrode from the first time. An ignition device for an internal combustion engine, characterized by generating thermal plasma over a long second time.
請求項5に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記点火電極に高周波電圧を印加することによって低温プラズマを発生させた後、前記点火電極に直流電圧を印加することによって熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置。
An ignition device for an internal combustion engine according to claim 5,
An ignition apparatus for an internal combustion engine, wherein a low temperature plasma is generated by applying a high frequency voltage to the ignition electrode, and then a thermal plasma is generated by applying a DC voltage to the ignition electrode.
請求項7に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記点火電極又は前記接地電極に凸部又は凹部が設けられていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
An ignition device for an internal combustion engine according to claim 7,
An ignition device for an internal combustion engine, wherein the ignition electrode or the ground electrode is provided with a convex portion or a concave portion.
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