JP4161954B2 - エンジンの点火装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンの点火装置に関する。

自動車用火花点火式エンジンにおいては、各気筒毎に１つの点火プラグを設け、燃焼室内の混合気の点火を行うのが一般的である。

しかしながら、１つの点火プラグで点火を行った場合、燃焼室内における火炎の伝播速度の相違により、ノッキングが発生する可能性がある。

これは、燃焼が一種の化学反応であり、火炎の伝播速度が温度の高い排気ポート側で速く、吸気ポート側で遅くなるので、吸気ポート側の点火プラグから遠い部分にある混合気は火炎到着までに時間がかかって他の部位にある混合気に比べて長時間圧縮状況下に置かれることになり、自己着火を起こしやすくなるからである。ある温度、圧力下に置かれた混合気は一定時間後に非常に反応の速い自己着火を起こしてしまう（ノッキングの発生）。

図７は燃焼室２０の中央に設けられた点火プラグ２１のみで点火を行った場合に火炎の伝播する様子を示したものである。上述の通り、排気側の方が温度が高く火炎伝播速度が高いため、これに示されるように排気ポート２２側に伝播する火炎が燃焼室端まで到達した時点では、吸気ポート２３側の火炎は未だ燃焼室端まで到達していない。このため、吸気ポート２３側の点火プラグ２１からの距離が遠いところに存在する混合気が長時間圧縮状態下に置かれ、自己着火を起こし易くなる。

本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであり、火花点火式エンジンにおいて燃焼室内の火炎の伝播を均一とし、ノッキングを効果的に抑制することを目的とする。

本発明は、燃焼室内に設けられた第１の点火装置と、第１の点火装置よりも吸気ポート側に設けられた第２の点火装置とを備え、第１及び第２の点火装置を用いて混合気の点火を行うエンジンに用いられる点火装置において、第２の点火装置の点火時期を第１の点火装置の点火時期よりも進角させ、エンジンの全運転領域において、第１の点火装置の点火時期に対する第２の点火装置の点火時期の進角量をエンジンの吸入空気量が多いほど大きく設定するように構成したことを特徴とするものである。

したがって、本発明に係るエンジンの点火装置にあっては、燃焼室内の混合気は燃焼室内に設けられた複数の点火装置（点火プラグ、点火ギャップ等）により点火されるが、吸気ポート側に設けられている点火装置から点火が行われる。これは、燃焼室内の温度が排気ポート側で高く、吸気ポート側で低くなっているため、火炎の伝播速度が排気側と吸気側で異なり、混合気を均一に燃焼させるためには吸気ポート側から点火する必要があるからである。

すなわち、仮に燃焼室中心部に設けられた点火プラグのみにより点火した場合、点火プラグから遠い部分にある吸気側の混合気は、火炎が伝播してくるまで長時間圧縮状態下に置かれることになり、自己着火を起こしてノッキングが発生しやすくなるが、本発明を適用すれば、吸気ポート側から先行して点火が行われるので燃焼室内における火炎の伝播が均一化され、着火が遅れている混合気が自己着火を起こしてノッキングが発生するのを防止できる。また、ノッキングの発生しない条件においても、燃焼時間が短縮されることから、燃費性能、燃焼安定性の向上が図られる。

また、本発明によれば、吸入空気量を考慮して排気側点火時期に対する吸気側点火時期の進角量が設定されるので、ノッキングの発生をさらに確実に抑えることができる。エンジンの吸入空気量を考慮するのは吸入空気量が多いほど燃焼ガスの発熱量が大きく吸気側と排気側の温度差が大きくなり、火炎伝播速度の差も大きくなるからであり、また、着火遅れの混合気の量が増大するからである。

以下、添付図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明に係るエンジンの点火装置の概略構成図である。燃焼室１には２つの吸気ポート２ａ、２ｂ、排気ポート３ａ、３ｂが開口しており、これら吸気ポート２ａ、２ｂ、排気ポート３ａ、３ｂは図示しないバルブにより所定のタイミングで開閉される。ここでバルブ前後の圧力差が排気側に比べて吸気側のほうが低いこと、及び、吸気は温度が低く音速が低いのに対して、排気である既燃ガスは温度が高く音速が高いためチョーキングが起こりにくいことから、吸入効率を高めるべく吸気ポート２ａ、２ｂの径は排気ポート３ａ、３ｂの径よりも大きくなっている。

燃焼室１のほぼ中央には点火装置６（点火プラグ、点火ギャップ等）が設けられている。また、燃焼室１の吸気側周辺部には点火装置（点火プラグ、点火ギャップ等）７、８、９が、排気側周辺部には点火装置（点火プラグ、点火ギャップ等）１０、１１、１２がほぼ等間隔に設けられている。吸気ポート２ａ、２ｂの径が排気ポート３ａ、３ｂの径よりも大きいので、吸気側点火装置７、８、９は排気側点火装置１０、１１、１２に比べ燃焼室中心、すなわち点火プラグ６からの距離が長くなっている。

これら吸気側点火装置７、８、９は吸気側点火コイル１３に接続され、中心点火プラグ６及び排気側点火装置１０、１１、１２は排気側点火コイル１４に接続されている。

コントローラ１５には、エアフローメータ１６からの吸入空気量信号、クランク角センサ１７からのエンジン回転速度信号、冷却水温センサ１８からのエンジン冷却水温信号が入力され、コントローラ１５は入力された各種信号に基づきエンジンの運転状態を判断し、吸気側点火装置７、８、９の点火時期（吸気側点火時期）TADVINと、中心点火プラグ６及び排気側点火装置１０、１１、１２の点火時期（排気側点火時期）TADVMを演算する。そして、演算された吸気側点火時期（クランク角）TADVINで吸気側点火コイル１３に点火信号を出力し、排気側点火時期（クランク角）TADVMで排気側点火コイル１４に点火信号を出力する。

ここで吸気ポート２ａ、２ｂの周囲は排気ポート３ａ、３ｂの周囲に比べて温度が低いため、火炎の伝播速度は排気側に比べて遅くなる。そのため、コントローラ１５は、吸気側点火時期TADVINを排気側点火時期TADVMに対して進角させ、吸気ポート側の混合気を早期に燃焼させることにより、それが長時間圧縮下に置かれて自己着火を起こすのを防止する。

以下、コントローラ１５が行う点火制御について詳しく説明する。

図２はコントローラ１５が行う点火制御の内容を示したフローチャートであり、クランク角センサ１７からの所定信号を受けて実行される。

これによると、まず、ステップＳ１で吸入空気量、エンジン回転速度及びエンジン冷却水温が読み込まれる。

次に、ステップＳ２で中心点火プラグ６と排気側点火装置１０、１１、１２の点火時期TADVM[deg]が演算される。具体的には、吸入空気量及びエンジン回転速度に基づき図３に示すマップを参照して基本点火時期ADVMAPが設定され、エンジン冷却水温に基づき図４に示すテーブルを参照して点火時期の進角補正量ADVCDが設定され、次式（１）、
TADVM ＝ ADVMAP ＋ ADVCD ・・・・・（１）
により排気側点火時期TADVMが演算される。エンジン冷却水温が低いときに点火時期を進角させるのは、水温が低いと燃焼が悪くなりがちなこと、点火時期を早くしてもノッキングを起こしにくい等の理由による。

そして、ステップＳ３では、吸気側点火装置７、８、９の点火時期TADVIN[deg]が演算される。ここで吸気側点火時期TADVINは、吸気ポート側において混合気が自己着火を起こすのを防止すべく排気側点火時期TADVMよりも早い時期に設定される。

具体的には、エンジン冷却水温に基づき図５に示すテーブルを参照して進角補正量ADBCDINが設定され、エンジン回転速度及び吸入空気量（エンジン負荷）に基づき図６に示すマップを参照して進角補正量ADVMAPINが設定され、次式（２）、
TADVIN ＝ TADVM ＋ ADVCDIN ＋ ADVMAPIN ・・・・・（２）
により吸気側点火時期TADVINが演算される。なお、TADVMはステップＳ２で演算された排気側点火時期である。

ここで、進角補正量ADVCDINはエンジン冷却水温が高いほど大きな値に設定されるが（図５）、これはエンジン冷却水温が高いほど燃焼室内の吸気側と排気側の温度差、すなわち吸気側への火炎伝播速度と排気側への火炎伝播速度の差が大きくなり、均一な燃焼を実現するにはそれに応じて吸気側の点火時期を早める必要があるからである。

また、進角補正量ADVMAPINは吸入空気量が多いほど大きな値に設定されるが（図６）、これは吸入空気量が多いほど燃焼ガスの発熱量が大きくなり、この燃焼ガスが排気弁を介して排気ポートを大きな流量、流速で通過するので、排気側の受熱量が大きくなって吸気側と排気側の温度差が大きくなり、火炎伝播速度の差も大きくなるからであり、また、吸入空気量が多くなるほど吸気側で長時間圧縮下に置かれる混合気の量が増大し、ノッキングが起こりやすくなるからである。

さらに、進角補正量ADVMAPINはエンジン回転速度が高くなるほど大きな値に設定されるが、これは、エンジン回転速度が高くなると単位クランク角[deg]に相当する時間[sec]が短くなるので、これに対応して進角補正量を増大させないと、排気側の点火が行われてから吸気側の点火が行われるまでの時間[sec]が一定に保たれなくなるからである。

つまり、燃焼は化学反応であり、その反応速度は主に温度に左右され、吸気側と排気側の燃焼速度差はエンジンの回転速度の影響をあまり受けないため、吸気側の点火の先行時間[sec]はエンジン回転速度が変化しても一定に保たれることが必要であるが、このようにエンジン回転速度が高くなるにつれ進角補正量を増大すれば吸気側の点火の先行時間[sec]を一定に保つことができる。

以上のようにして排気側点火時期TADVM、吸気側点火時期TADVINが演算されたら、クランク角TADVINで吸気側点火コイル１３に点火信号が出力され（ステップＳ４）、クランク角TADVMで排気側点火コイル１４に点火信号が出力される（ステップＳ５）。

次に、作用について説明する。

吸気ポート２ａ、２ｂが開かれると燃焼室１内に混合気が導入され、燃焼室１内に導入された混合気は図示しないピストンによって圧縮される。

圧縮された混合気は中心点火プラグ６及び燃焼室１の内周に沿って設けられた点火装置７ないし１２によって点火されるが、この際、火炎の伝播速度を考慮して吸気側の点火装置７、８、９が中心点火プラグ６及び排気側点火プラグ１０、１１、１２に先行して点火される。

これは、火炎の伝播速度が温度の高い排気側で速くなり、温度の低い吸気側で遅くなること、また、吸気ポート２ａ、２ｂの径が排気ポート３ａ、３ｂの径に比べて大きく、吸気側点火装置７、８、９が燃焼室中央から遠いことを考慮したものであるが、このように点火装置７、８、９の点火を先行させることにより燃焼室内の火炎伝播を均一にでき、ノッキングが発生するのを防止することが可能となる。また、ノッキングの発生しない条件においても燃焼時間が短縮されることから、燃費性能、燃焼安定性の向上が図られる。

さらに、吸気側点火時期TADVINの排気側点火時期TADVMに対する進角補正量は、エンジン冷却水温、吸入空気量及びエンジン回転速度に基づき設定されるので、運転条件に応じて常に最適の点火時期を設定することができ、広い運転領域においてノッキングが効果的に防止される。

なお、以上説明した実施形態は本発明が適用可能な構成の一例を示したものであり、本発明の適用可能な範囲を限定するものではない。例えば、上記実施形態では吸気ポート２ａ、２ｂからは混合気が導入されるとしたが、本発明は、吸気ポートから空気のみ導入し、燃料を直接燃焼室内に噴射する、いわゆる直噴式エンジンにも適用することができるものである。また、図１に示した点火装置や吸排気ポートの配置、数、燃焼室の形状等はあくまでも一例であり、これらを変更した構成であっても複数の点火装置を備えた構成であれば本発明を適用することができる。例えば、本実施形態では、第１の点火装置として点火装置６、１０、１１、１２を設け、第２の点火装置として点火装置７、８、９を設けたが、これはあくまでも一例であり、第１の点火装置として点火装置６のみ或いは点火装置１０、１１、１２のいずれか一つのみを設け、又は、点火装置６、１１のみ或いは点火装置６、１０、１１、１２のあらゆる組み合わせを採ることができ、さらに、第２の点火装置として点火装置８のみ或いは点火装置７，９のみを設け、又は点火装置７、８、９のあらゆる組み合わせを採ることができる。

本発明に係るエンジン点火装置の概略構成図である。 コントローラが行うエンジン点火制御の内容を示したフローチャートである。 基本点火時期マップである。 基本点火時期の水温補正テーブルである。 吸気側点火時期の水温補正テーブルである。 吸気側点火時期のエンジン回転速度、吸入空気量補正テーブルである。 中心点火プラグのみで点火を行ったときの火炎伝播の様子を示した図である。

符号の説明

１ 燃焼室
２ａ、２ｂ 吸気ポート
３ａ、３ｂ 排気ポート
６ 点火装置
７、８、９ 吸気側点火装置
１０、１１、１２ 排気側点火装置
１３ 吸気側点火コイル
１４ 排気側点火コイル
１５ コントローラ
１６ エアフローメータ
１７ クランク角センサ
１８ 冷却水温センサ

Claims (1)

1. 燃焼室内に設けられた第１の点火装置と、
   前記第１の点火装置よりも吸気ポート側に設けられた第２の点火装置と、
   を備え、前記第１及び第２の点火装置を用いて燃焼室内の混合気の点火を行うエンジンに用いられ、
   前記第２の点火装置の点火時期を前記第１の点火装置の点火時期よりも進角させ、
   エンジンの全運転領域において、前記第１の点火装置の点火時期に対する前記第２の点火装置の点火時期の進角量を前記エンジンの吸入空気量が多いほど大きく設定するように構成したことを特徴とするエンジンの点火装置。

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