JP4259717B2 - 火花点火装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する所謂、直噴エンジンにおける燃料への着火性を向上する火花点火装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の１燃焼サイクル中に複数回の放電を断続して行う多重放電により、燃料への着火性を高める火花点火装置が知られている。
【０００３】
また、近年の直噴エンジンにおいては、エンジン負荷が小さなときには成層燃焼運転とするため、図２０に示すように、ピストン頂面の燃焼室形状や吸気流形成によってインジェクタ（燃料噴射弁）から噴射された噴霧の塊である成層混合気を燃焼室内で移動させ（矢印参照）点火プラグ周辺に可燃混合気を形成するようにしている。このような成層燃焼運転における可燃混合気では、図２１に示すように、点火プラグの火花ギャップでの可燃濃度範囲においても、そのときの運転条件により濃度ばらつきや時間ばらつきを有しており、その混合気濃度により着火に必要な放電エネルギの異なることが一般的に知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の多重放電時の各パルスにおける放電エネルギ量の必要量は未知であった。このため、成層混合気のばらつきに対して多重放電するにも、従来の単発放電と同等の放電エネルギを供給している。これは、着火の容易な混合気条件に対しても多大な放電エネルギを投入している等、過剰な放電エネルギの投入となっており、点火系における電気エネルギの消費量を増大させる要因となり、それに伴い点火コイルは大型化し内燃機関への搭載性を損なっていた。また、放電エネルギ量の増大は点火プラグの放電電極の耐消耗性、バッテリやオルタネータ更には機関出力にも悪影響を及ぼすという不具合があった。
【０００５】
そこで、この発明はかかる不具合を解決するためになされたもので、各放電エネルギ量を運転条件に応じて変化させ、混合気状態に応じて最適な放電エネルギの投入を行うことにより燃焼状態の改善及び放電エネルギの抑制、点火コイル大型化の抑制が可能な火花点火装置の提供を課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の火花点火装置によれば、直噴エンジンで少なくとも成層燃焼運転条件の一部または全部で多重放電とするべく点火コイルによる高電圧の印加を短時間に断続的に複数回行い点火プラグに複数回の放電火花を発生させることで噴霧燃料の濃度変化に対応でき確実に着火される。また、成層燃焼運転条件以外の運転条件及び成層燃焼運転条件の上記多重放電を用いない条件であるときには点火プラグに１回以上の放電火花を発生させることで噴霧燃料に確実に着火される。このように、直噴エンジンの成層燃焼運転条件の一部または全部、その他の運転条件に適した回数の放電火花が所定のタイミングで噴霧燃料に対して発生されることで噴霧燃料に対する確実な着火が保証される。
また、点火制御手段では、直噴エンジンが成層燃焼運転条件にあって多重放電とするか、またはその他の運転条件にあって単発放電とするかの切替や多重放電の開始から終了までの総放電期間、各放電期間、各間欠期間を算出するにあたって直噴エンジンの運転条件毎に予め設定されたマップが用いられる。このように、予め設定されたマップを用いることで、運転条件の切替を素早く正確に行えると共に、多重放電の総放電期間、各放電期間、各間欠期間を瞬時に設定でき適切な点火制御が行われ良好な着火が得られる。
そして、多重放電の各間欠期間は、徐々に長くなるよう設定されるため、多重放電における放電終了間際であっても噴霧燃料に着火するための放電エネルギの蓄積が可能となる。このため、成層燃焼運転条件における総放電期間にわたり噴霧燃料に対する確実な着火が保証される。
更に、多重放電の総放電期間中の各放電期間における放電エネルギ密度は、直噴エンジンの運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するように設定される。このため、成層燃焼運転条件における放電火花による着火が保証されると共に、点火系における電気エネルギ消費が抑制される。
【０００７】
請求項２の火花点火装置によれば、直噴エンジンで少なくとも成層燃焼運転条件の一部または全部で多重放電とするべく点火コイルによる高電圧の印加を短時間に断続的に複数回行い点火プラグに複数回の放電火花を発生させることで噴霧燃料の濃度変化に対応でき確実に着火される。また、成層燃焼運転条件以外の運転条件及び成層燃焼運転条件の上記多重放電を用いない条件であるときには点火プラグに１回以上の放電火花を発生させることで噴霧燃料に確実に着火される。このように、直噴エンジンの成層燃焼運転条件の一部または全部、その他の運転条件に適した回数の放電火花が所定のタイミングで噴霧燃料に対して発生されることで噴霧燃料に対する確実な着火が保証される。
また、点火制御手段では、直噴エンジンが成層燃焼運転条件にあって多重放電とするか、またはその他の運転条件にあって単発放電とするかの切替や多重放電の開始から終了までの総放電期間、各放電期間、各間欠期間を算出するにあたって直噴エンジンの運転条件毎に予め設定されたマップが用いられる。このように、予め設定されたマップを用いることで、運転条件の切替を素早く正確に行えると共に、多重放電の総放電期間、各放電期間、各間欠期間を瞬時に設定でき適切な点火制御が行われ良好な着火が得られる。
そして、多重放電の総放電期間中の各放電期間における放電エネルギ密度は、直噴エンジンの運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するように設定される。このため、成層燃焼運転条件における放電火花による着火が保証されると共に、点火系における電気エネルギ消費が抑制される。
請求項３の火花点火装置によれば、前記多重放電の総放電期間中の各放電期間における放電エネルギ密度を、１８〔ｍＪ／ｍｓ：ミリジュール／ミリ秒〕以上となるよう設定するものであるから、このため、成層燃焼運転条件における放電火花による着火が保証されると共に、点火系における電気エネルギ消費が抑制される。
【０００８】
請求項４の火花点火装置では、多重放電の総放電期間が１．０〜３．０〔ｍｓ〕の範囲に設定されるため、多重放電における混合気形成の時間的なばらつきや混合気濃度のばらつきに対しても着火に十分な放電エネルギが供給されると共に、点火系における電気エネルギ消費が抑制される。
【０００９】
請求項５の火花点火装置では、多重放電の各放電期間が０．０５〜０．５〔ｍｓ〕の範囲に設定されるため、多重放電における毎回の放電エネルギ量が適切に制御される。
【００１０】
請求項６の火花点火装置では、多重放電の各間欠期間が０．１〜１．０〔ｍｓ〕の範囲に設定されるため、多重放電における毎回の放電エネルギ量が適切に制御される。
【００１３】
請求項７の火花点火装置における点火制御手段では、点火コイルの１次電流を通電／遮断させ点火プラグの火花ギャップに放電火花を発生させ多重放電が行われる。このように、直噴エンジンの１燃焼サイクル中の圧縮上死点付近にて多重放電を行わせることで噴霧燃料の混合気濃度変化に対応でき確実に着火される。
【００１４】
請求項８の火花点火装置では、放電エネルギ密度が１８〔ｍＪ／ｍｓ〕未満となった時点で放電が持続していたとしても、多重放電の間欠期間としてカウントされるがその間欠期間が０．１〜１．０〔ｍｓ〕の範囲に設定される。このように、多重放電における各間欠期間が適切に設定されることで毎回の放電エネルギ量が適切に制御される。
【００１５】
請求項９の火花点火装置では、多重放電の総放電期間中の各放電期間における点火プラグの火花ギャップの単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度が直噴エンジンの運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するための下限値である２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕以上となるよう設定される。これにより、成層燃焼運転条件における多重放電の各放電期間で点火プラグの火花ギャップによる着火に必要な放電エネルギ密度が満足されると共に、点火系における電気エネルギ消費が抑制される。
【００１６】
請求項１０の火花点火装置では、点火プラグの中心電極の直径が１．１〔ｍｍ〕以下でその火花ギャップが０．４〜１．２〔ｍｍ〕の範囲に設定される。このように、点火プラグの中心電極の直径及び火花ギャップの範囲が規定されることで、直噴エンジンの運転条件に対応した噴霧燃料に対する放電火花による確実な着火が保証される。
【００１７】
請求項１１の火花点火装置では、点火プラグの火花ギャップの単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度が多重放電の各放電期間に対して８０〔％〕以上で２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕以上となるよう設定される。これにより、多重放電の各放電期間中において噴霧燃料に対して一旦、着火されたのちの火炎が燃焼の持続性により維持される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された内燃機関としての直噴エンジンを示す概略構成図、図２は図１の点火プラグの先端形状を示す拡大図である。
【００２０】
図１及び図２において、各気筒内に燃料を直接噴射する直噴エンジン（直接噴射式ガソリン機関）１０のシリンダヘッド１１には吸気通路１２が接続されている。この吸気通路１２の下流側には吸気ポート１３が形成され吸気バルブ１４が配設されている。また、吸気通路１２の上流側にはスロットルバルブ１５が配設されている。このスロットルバルブ１５のスロットル開度ＴＡは、アクセルペダル４１の踏込量を検出するアクセル開度センサ４２からのアクセル開度ＡＰに応じて後述のＥＣＵ（Electronic Control Unit:電子制御ユニット）３０にて制御される電流により調整され、スロットル開度センサ１６によって検出される。そして、スロットルバルブ１５を介して吸入された空気は、吸気バルブ１４の開弁時期に吸気ポート１３を通ってシリンダヘッド１１とピストン１７とで形成される燃焼室１８内に供給される。
【００２１】
直噴エンジン１０のシリンダヘッド１１の頭頂部には燃焼室１８内に向けて点火プラグ１９が配設されている。更に、直噴エンジン１０のシリンダヘッド１１の横側にはインジェクタ２１が配設され、その噴射孔２１ａは燃焼室１８内に突出されている。そして、高圧燃料ポンプ（図示略）にて加圧されインジェクタ２１に供給される高圧燃料は、インジェクタ２１の開弁時期に燃焼室１８内に直接噴射される。この燃焼室１８内に直接噴射された高圧燃料が吸気バルブ１４側から導入された空気と混合され、点火プラグ１９の中心電極１９ａと接地電極１９ｂとの間の火花ギャップＧに発生される放電火花により着火され燃焼される。
【００２２】
一方、直噴エンジン１０のシリンダヘッド１１には排気通路２２が接続されている。この排気通路２２には排気ポート２３が形成され排気バルブ２４が配設されている。そして、燃焼室１８で燃焼された排気ガスは排気バルブ２４の開弁時期に排気ポート２３を通って排気通路２２側に排出される。
【００２３】
点火プラグ１９の中心電極１９ａには、点火コイル２５の２次巻線２５ｂの一端が接続されている。また、点火コイル２５の１次巻線２５ａの一端はバッテリ２６に接続され、点火コイル２５の１次巻線２５ａの他端はパワートランジスタ２７のコレクタ側に接続されている。直噴エンジン１０の運転中においては、ＥＣＵ３０からパワートランジスタ２７のベース側に出力される点火信号（パルス信号）ＩＧｔに基づきパワートランジスタ２７がオン／オフされることで、バッテリ２６から点火コイル２５の１次巻線２５ａ側を流れる１次電流Ｉ1 が通電／遮断される。そして、点火信号ＩＧｔの立下がりによってパワートランジスタ２７がオフされ、点火コイル２５の１次巻線２５ａ側を流れる１次電流Ｉ1 が遮断されると、その１次電流Ｉ1 に対応する逆起電力が１次側に発生される。この逆起電力に誘導され、点火コイル２５の２次巻線２５ｂ側に２次電流Ｉ2 が流れることとなる。この２次電流Ｉ2 により発生される点火コイル２５の１次巻線２５ａと２次巻線２５ｂとの巻数比倍である高電圧な２次電圧Ｖ2 が点火プラグ１９に印加され、その火花ギャップＧに放電火花が発生されるのである。
【００２４】
ＥＣＵ３０は、周知の中央処理装置としてのＣＰＵ３１、制御プログラムや制御マップを格納したＲＯＭ３２、各種データを格納するＲＡＭ３３、Ｂ／Ｕ（バックアップ）ＲＡＭ３４、入出力回路３５及びそれらを接続するバスライン３６等からなる論理演算回路として構成されている。ＥＣＵ３０にはアクセル開度センサ４２からのアクセル開度ＡＰ〔°〕、スロットル開度センサ１６からのスロットル開度ＴＡ〔°〕、直噴エンジン１０のクランクシャフト２０に配設されたクランク角センサ２８からのクランク角θ1 〔°ＣＡ(Crank Angle）〕、カムシャフト（図示略）に配設されたカム角センサ２９からのカム角θ2 〔°ＣＡ〕等の各種センサ信号が入力されている。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置で使用されているＥＣＵ３０内のＣＰＵ３１における直噴エンジン１に対する燃料噴射・点火時期制御の処理手順を示す図３のフローチャートに基づき、図４を参照して説明する。ここで、図４は機関回転数ＮＥとエンジン負荷としてのアクセル開度ＡＰとに基づき成層燃焼運転領域または均質燃焼運転領域にあるかを判定するためのマップである。なお、この燃料噴射・点火時期制御ルーチンは所定時間毎にＣＰＵ３１にて繰返し実行される。
【００２６】
図３において、ステップＳ１０１で、まず、クランク角センサ２８からのクランク角θ1 による機関回転数ＮＥが読込まれる。次にステップＳ１０２に移行して、エンジン負荷としてアクセル開度センサ４２からのアクセル開度ＡＰが読込まれる。次にステップＳ１０３に移行して、エンジン負荷が小さなときの燃焼運転領域である成層燃焼運転領域であるかが判定される。ステップＳ１０３の判定条件が成立、即ち、このときのエンジン負荷が小さく、図４に示すように、機関回転数ＮＥとアクセル開度ＡＰとによる燃焼運転領域が成層燃焼運転領域で、多重放電適用の条件にあるときにはステップＳ１０４に移行し、機関回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＰ等のパラメータに基づきスロットル開度、燃料噴射時期、燃料噴射期間、点火時期、多重放電の開始から終了までの総放電期間、各放電期間及び各間欠期間がＲＯＭ３２内に予め格納されている制御マップ（図示略）により算出される。
【００２７】
一方、ステップＳ１０３の判定条件が成立せず、即ち、このときのエンジン負荷が大きく、図４に示すように、機関回転数ＮＥとアクセル開度ＡＰとによる燃焼運転領域が成層燃焼運転領域における多重放電適用の条件外や均質燃焼運転領域にあるときにはステップＳ１０５に移行し、機関回転数ＮＥ及びアクセル開度ＡＰ等のパラメータに基づきスロットル開度、燃料噴射時期、燃料噴射期間及び点火時期がＲＯＭ３２内に予め格納されている制御マップ（図示略）により算出される。ステップＳ１０４またはステップＳ１０５における処理ののちステップＳ１０６に移行し、クランク角センサ２８からの現在のクランク角θ1 〔°ＣＡ〕が読込まれる。次にステップＳ１０７に移行して、燃料噴射時期であるかが判定される。ステップＳ１０７の判定条件が成立せず、即ち、未だ燃料噴射時期でないときにはステップＳ１０６に戻り同様の処理が繰返される。
【００２８】
ステップＳ１０７の判定条件が成立、即ち、燃料噴射時期であるとステップＳ１０８に移行し、ステップＳ１０４またはステップＳ１０５で算出された燃料噴射時期及び燃料噴射期間に基づく燃料噴射信号がインジェクタ２１に対して出力される。次にステップＳ１０９に移行して、クランク角センサ２８からの現在のクランク角θ1 〔°ＣＡ〕が読込まれる。次にステップＳ１１０に移行して、点火時期であるかが判定される。ステップＳ１１０の判定条件が成立せず、即ち、未だ点火時期でないときにはステップＳ１０９に戻り同様の処理が繰返される。そして、ステップＳ１１０の判定条件が成立、即ち、ステップＳ１０４またはステップＳ１０５で算出された点火時期であるとステップＳ１１１に移行し、このとき成層燃焼運転領域であればステップＳ１０４で算出された総放電期間、各放電期間及び各間欠期間に基づき多重放電するための点火信号ＩＧｔがパワートランジスタ２７に対して出力される。一方、このとき均質燃焼運転領域であれば単発放電するための点火信号ＩＧｔがパワートランジスタ２７に対して出力され、本ルーチンを終了する。
【００２９】
次に、図３の燃料噴射・点火時期制御ルーチンにおけるステップＳ１０４の総放電期間、各放電期間及び各間欠期間の設定について、成層燃焼運転領域における多重放電時の点火信号ＩＧｔ、２次電圧Ｖ2 、２次電流Ｉ2 及び放電エネルギ密度ｄＥの遷移状態を示す図５のタイムチャートを参照して説明する。
【００３０】
図５に示すように、点火信号ＩＧｔはＥＣＵ３０から多重放電時にパワートランジスタ２７に出力される。この点火信号ＩＧｔがハイレベルとなる期間、パワートランジスタ２７がオンとなり、点火コイル２５の１次巻線２５ａにバッテリ２６から１次電流Ｉ1 が流れ点火エネルギが蓄えられる。そして、この点火信号ＩＧｔがローレベルとなる立下がり時点でパワートランジスタ２７がオフとなり、点火コイル２５に蓄えられた点火エネルギがその２次巻線２５ｂを介して放出され、２次電流Ｉ2 が流れ点火プラグ１９には高電圧な２次電圧Ｖ2 が印加される。
【００３１】
このため、図５に示す点火信号ＩＧｔがハイレベルである間欠期間ＴH1，…，ＴHnが長いほど放電期間ＴL1，…，ＴLnで大きな放電エネルギ量が得られ、放電エネルギ密度ｄＥが高くなって１発の放電期間を長く設定することができる。したがって、多重放電時の総放電期間Ｔｔを最大３〔ｍｓ〕、間欠期間ＴH2，…，ＴHnを最大１〔ｍｓ〕に設定する。
【００３２】
上述の実施例では、総放電期間Ｔｔにおける１発当たりの放電エネルギ密度がそれぞれ同じであったが、放電初期の放電エネルギ密度または放電終了間際の放電エネルギ密度が高くなるよう総放電期間Ｔｔの直前の間欠期間ＴH1または最後の間欠期間ＴHnを長く設定してもよい。ここで、放電初期の放電エネルギ密度を高くしたときには、総放電期間Ｔｔにおける最初の放電期間ＴL1で着火する確率を高くすることができ、結果として、点火時期のばらつきを小さくでき燃焼状態を安定させることができる。
【００３３】
次に、放電終了間際の放電エネルギ密度を高くしたときの効果について説明する。
【００３４】
直噴エンジン１が成層燃焼運転領域における運転状態であるときには、点火プラグ１９の火花ギャップＧ周りの混合気は、時間経過に連れて薄くなり着火し難くなる。したがって、多重放電時における最初の時点で着火できなかった混合気に対して着火させるためには、より高い放電エネルギ密度が必要となる。
【００３５】
発明者等の実験研究によれば、運転条件によるが、着火に必要な放電エネルギ密度は最低１８〔ｍＪ／ｍｓ〕であり、着火に必要な放電期間は０．０５〔ｍｓ〕であった。したがって、間欠期間ＴH1，…，ＴHnは、直噴エンジン１の運転条件（機関回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＰ等）に対して決定される。
【００３６】
また、発明者等の実験研究によれば、３〔ｍｓ〕の長期間連続放電によって、直噴エンジン１の運転条件が如何なる場合であっても確実に着火可能であることが確認された。これに対し、例として、ある直噴エンジンの運転条件による放電期間、間欠期間は図５に示すように、制御する必要があった。例えば、低負荷、低回転の運転条件では、総放電期間Ｔｔが３〔ｍｓ〕の多重放電時において、１発ずつの放電エネルギ密度ｄＥが１８〔ｍＪ／ｍｓ〕であって、放電期間が０．０５〔ｍｓ〕で間欠期間が１〔ｍｓ〕以下のとき長期間連続放電と同等の結果が得られた。また、負荷増、回転増の運転条件では、放電期間が０．５〔ｍｓ〕程度で間欠期間が０．４〔ｍｓ〕程度であった。
【００３７】
そして、発明者等の実験研究によれば、１発の放電火花にかかる放電エネルギ密度ｄＥを３０〔ｍＪ／ｍｓ〕以上としても着火の確率は高くならなかった。これにより、多重放電時の放電エネルギ密度ｄＥは３０〔ｍＪ／ｍｓ〕以上を確保すればよいことが分かった。
【００３８】
このように、本実施例の火花点火装置は、各気筒内に燃料を直接噴射する直噴エンジン１０の各気筒毎に取付けられた点火プラグ１９と、点火プラグ１９に点火時期に高電圧を印加し放電火花を発生させる点火コイル２５と、点火コイル２５による高電圧の印加を短時間に断続的に複数回行うことが可能なＥＣＵ３０にて達成される点火制御手段とを具備し、点火制御手段を達成するＥＣＵ３０はエンジン負荷の小さな成層燃焼運転条件における一部または全部では点火プラグ１９を多重放電させ、その他の運転条件では点火プラグ１９を単発放電させるものである。
【００３９】
つまり、直噴エンジンでエンジン負荷が小さく成層燃焼運転条件の一部または全部であるときには多重放電とするべく点火コイルによる高電圧の印加を短時間に断続的に複数回行い点火プラグ１９に複数回の放電火花を発生させることで噴霧燃料の濃度変化に対応でき確実に着火することができる。また、成層燃焼運転条件以外の運転条件であるときには単発放電とするべく点火コイルによる高電圧の印加を１回だけ行い点火プラグ１９に１回の放電火花を発生させることで噴霧燃料に確実に着火することができる。このように、直噴エンジン１０の成層燃焼運転条件の一部または全部、その他の運転条件に適した回数の放電火花が所定のタイミングで噴霧燃料に対して発生されることで噴霧燃料に対する確実な着火を保証することができる。
【００４０】
また、本実施例の火花点火装置は、点火制御手段を達成するＥＣＵ３０が多重放電と単発放電との切替、多重放電の開始から終了までの総放電期間Ｔｔ、各放電期間ＴL1，…，ＴLn、各間欠期間ＴH2，…，ＴHnを直噴エンジン１０の運転条件毎に予め設定されＲＯＭ３２内に格納された制御マップに基づき算出するものである。つまり、直噴エンジン１０が成層燃焼運転条件にあって多重放電とするか、またはその他の運転条件にあって単発放電とするかの切替や多重放電における制御パルスである点火信号ＩＧｔの立上がり及び立下がりの繰返しに伴う総放電期間、各放電期間、各間欠期間を算出するにあたって直噴エンジン１０の運転条件をパラメータとするＲＯＭ３２内に格納された制御マップが用いられる。このように、予め格納された制御マップを用いることで、燃焼運転条件の切替が素早く正確にできると共に、多重放電の総放電期間、各放電期間、各間欠期間を瞬時に設定でき適切な点火制御を行うことができ良好な着火が得られる。
【００４１】
そして、本実施例の火花点火装置は、多重放電における総放電期間Ｔｔが直噴エンジン１０の運転条件に応じて１．０〜３．０〔ｍｓ〕の範囲に設定される。これにより、多重放電における混合気形成の時間的なばらつきや混合気濃度のばらつきに対しても着火に十分な放電エネルギを供給できると共に、点火系における電気エネルギ消費を抑制することができる。
【００４２】
更に、本実施例の火花点火装置は、多重放電における各放電期間ＴL1，…，ＴLnが直噴エンジン１０の運転条件に応じて０．０５〜０．５〔ｍｓ〕の範囲に設定される。これにより、多重放電における毎回の放電エネルギ量を適切に制御することができる。
【００４３】
また、本実施例の火花点火装置は、多重放電における各間欠期間ＴH2，…，ＴHnが直噴エンジン１０の運転条件に応じて０．１〜１．０〔ｍｓ〕の範囲に設定される。これにより、多重放電における毎回の放電エネルギ量を適切に制御することができる。
【００４４】
そして、本実施例の火花点火装置は、多重放電の総放電期間Ｔｔ中の各放電期間ＴL1，…，ＴLnにおける放電エネルギ密度ｄＥが直噴エンジン１０の運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するための下限値である１８〔ｍＪ／ｍｓ〕以上となるよう設定される。このため、成層燃焼運転条件における放電火花による着火が保証されると共に、点火系における電気エネルギ消費を抑制することができる。
【００４５】
更に、本実施例の火花点火装置は、点火制御手段を達成するＥＣＵ３０が点火コイル２５の１次電流Ｉ1 を通電／遮断させ点火プラグ１９の火花ギャップＧに放電火花を発生させ多重放電が行われる。このように、直噴エンジン１０の１燃焼サイクル中の圧縮上死点付近にて多重放電を行わせることで噴霧燃料の混合気濃度変化に対応でき確実に着火させることができる。
【００４６】
加えて、本実施例の火花点火装置は、図６に示すような、多重放電による連続した放電ではあるが、放電エネルギ密度ｄＥが１８〔ｍＪ／ｍｓ〕を下回る期間が存在する放電については１８〔ｍＪ／ｍｓ〕を下回った時点で多重放電の間欠期間と見做してカウントされることで毎回の放電エネルギ量が適切に制御される。即ち、図６に斜線部にて示す放電エネルギ密度ｄＥが１８〔ｍＪ／ｍｓ〕を下回る期間を０．１〜１．０〔ｍｓ〕の範囲に設定すればよい。
【００４７】
ところで、上記実施例では、多重放電時における総放電期間Ｔｔに対する間欠期間ＴH2，…，ＴHnを全て同じ長さに設定したが、本発明を実施する場合には、これに限定されるものではなく、放電期間や間欠期間をそれぞれ異なる長さとしてもよく、例えば、多重放電時における放電初期または放電終了間際の単位時間〔ｍｓ〕当たりの放電エネルギ量が３０〔ｍＪ〕以上、放電中期の単位時間〔ｍｓ〕当たりの放電エネルギ量が１８〔ｍＪ〕以上となるよう放電期間ＴL1，…，ＴLnに対する間欠期間ＴH2，…，ＴHnの長さを設定してもよい。このとき、例えば、図７に示すように、パラメータとしての機関回転数ＮＥや要求トルクが大きいほど多重放電適用範囲における放電期間が長くなるよう設定される。また、例えば、図８に示すように、パラメータとしての機関回転数ＮＥや要求トルクが大きいほど多重放電適用範囲における間欠期間が短くなるよう設定される。
【００４８】
このような、多重放電時における放電初期または放電終了間際の放電エネルギ密度の設定により、放電初期または放電終了間際の噴霧燃料に対する放電火花による着火が確保されつつ点火系における電気エネルギ消費を抑制することができると共に、放電中期の噴霧燃料に対する放電火花による着火のための放電エネルギ密度が下限値以上となるよう維持されることで、放電中期の噴霧燃料に対する放電火花による着火も保証することができる。このため、成層燃焼運転時の総放電期間における点火系の電気エネルギ消費を抑制しつつ噴霧燃料に対する確実な着火を保証することができる。
【００４９】
また、多重放電時の総放電期間Ｔｔにおける間欠期間ＴH2，…，ＴHnを例えば、図９に図５のタイムチャートの他の変形例を示すように、後半になるに連れて徐々に長くなるように設定してもよい。ここで、放電期間ＴL1，…，ＴLnが間欠期間ＴH2，…，ＴHnに対して長いときには１発の放電毎に点火コイル２５に蓄えられた点火エネルギが殆ど放出され、点火エネルギの蓄積が放電に間に合わなくなることが考えられる。これに対して、前半の放電期間を短くしておくことで、点火コイル２５に蓄えられた点火エネルギが全て放出される以前に放電停止され間欠期間中のエネルギ充填が少なくて済むこととなる。これにより、成層燃焼運転時の多重放電による放電終了間際であっても噴霧燃料に着火するための放電エネルギを蓄積することができ、各放電期間ＴL1，…，ＴLnが必要な放電エネルギ密度ｄＥである１８〔ｍＪ／ｍｓ〕以上を満足した多重放電を行うことができる。
【００５０】
そして、多重放電とするか単発放電とするかの切替や多重放電における総放電期間、各放電期間、各間欠期間を算出するに当たっての運転条件パラメータは機関回転数ＮＥのみとしてもよい。即ち、多重放電が必要な成層燃焼運転条件を含む機関回転数で、成層燃焼に有効な多重放電を実施することで、本来、多重放電が必要のない均質燃焼運転時でも多重放電を実施することにはなるが、制御の簡素化ができるといった利点もある。
【００５１】
次に、本実施例の直噴エンジンに配設されている点火プラグ１９の火花ギャップＧのギャップ長（以下、単に『火花ギャップＧ』とも記す）とその火花ギャップＧに放電火花を発生させ噴霧燃料に対する着火に必要な放電エネルギ密度との関係について、以下に説明する。
【００５２】
図１０及び図１１は本実施例の直噴エンジン１０による均質燃焼運転領域における単発放電時の点火信号ＩＧｔ、２次電圧Ｖ2 、２次電流Ｉ2 及び放電エネルギ密度ｄＥの遷移状態を示すタイムチャートであり、図１１では図１０に比べて点火プラグ１９の火花ギャップＧが広く設定されている。
【００５３】
図１０及び図１１に示すように、点火信号ＩＧｔはＥＣＵ３０から単発放電時にパワートランジスタ２７に出力される。この点火信号ＩＧｔがハイレベルとなる期間、パワートランジスタ２７がオンとなり、点火コイル２５の１次巻線２５ａにバッテリ２６から１次電流Ｉ1 が流れ点火エネルギが蓄えられる。そして、この点火信号ＩＧｔがローレベルとなる立下がり時点でパワートランジスタ２７がオフとなり、点火コイル２５に蓄えられた点火エネルギがその２次巻線２５ｂを介して放出され、２次電流Ｉ2 が流れ点火プラグ１９に高電圧な２次電圧Ｖ2 が印加される。
【００５４】
図１０では、点火プラグ１９の火花ギャップＧが適切に設定されており、単発放電における放電エネルギ密度ｄＥ（＝Ｉ2 ×Ｖ2 ）が、直噴エンジンの運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するための下限値としての放電開始から放電終了まで着火に必要な放電エネルギ密度が満足されている。
【００５５】
これに対して、図１１では、点火プラグ１９の火花ギャップＧが図１０に比べて広く設定されているため、放電開始から放電終了までの放電エネルギ密度ｄＥ（＝Ｉ2 ×Ｖ2 ）が着火に必要な放電エネルギ密度を大きく越え、その分が無駄となっている。また、図１０及び図１１に斜線（面積）にて示す放電エネルギＥ（＝∫（Ｉ2 ×Ｖ2 ）ｄｔ）は同等であるため、図１１では放電開始から放電終了までの放電期間が短くなっている。これにより、運転条件によっては着火に必要な放電火花の発生タイミングが得られず火炎が生成されなくて失火に陥るという不都合が生じる要因となる。
【００５６】
図１２及び図１３は本実施例の直噴エンジン１０による成層燃焼運転領域における多重放電時の点火信号ＩＧｔ、２次電圧Ｖ2 、２次電流Ｉ2 及び放電エネルギ密度ｄＥの遷移状態を示すタイムチャートであり、図１３では図１２に比べて点火プラグ１９の火花ギャップＧが広く設定されている。
【００５７】
図１２及び図１３に示すように、点火信号ＩＧｔはＥＣＵ３０から多重放電時にパワートランジスタ２７に出力される。この点火信号ＩＧｔがハイレベルとなる期間、パワートランジスタ２７がオンとなり、点火コイル２５の１次巻線２５ａにバッテリ２６から１次電流Ｉ1 が流れ点火エネルギが蓄えられる。そして、この点火信号ＩＧｔがローレベルとなる立下がり時点でパワートランジスタ２７がオフとなり、点火コイル２５に蓄えられた点火エネルギがその２次巻線２５ｂを介して放出され、２次電流Ｉ2 が流れ点火プラグ１９に高電圧な２次電圧Ｖ2 が印加される。
【００５８】
図１２では、点火プラグ１９の火花ギャップＧが適切に設定されており、多重放電における放電エネルギ密度ｄＥ（＝Ｉ2 ×Ｖ2 ）が、直噴エンジンの運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するための下限値としての放電開始から放電終了まで着火に必要な放電エネルギ密度が満足されている。
【００５９】
これに対して、図１３では、点火プラグ１９の火花ギャップＧが図１２に比べて広く設定されているため、放電開始から放電終了までの放電エネルギ密度ｄＥ（＝Ｉ2 ×Ｖ2 ）が最初の放電期間では着火に必要な放電エネルギ密度を大きく越え、最後の放電期間では着火に必要な放電エネルギ密度を下回っている。ここで、図１２及び図１３に斜線（面積）にて示す放電エネルギＥ（＝∫（Ｉ2 ×Ｖ2 ）ｄｔ）は同等であるため、図１３では放電開始から放電終了までの放電期間の最初のうちは放電エネルギが無駄に供給され、最後のほうでは放電エネルギが不足すると共に、放電期間が短くなっている。これにより、運転条件によっては着火に必要な放電火花の発生タイミングが得られず火炎が生成されなくて失火に陥るという不都合が生じる要因となる。
【００６０】
次に、上述の着火に必要な放電エネルギ密度が過不足なく所定の放電期間で得られるよう点火プラグ１９の火花ギャップＧを適切に規定するため、火花ギャップＧと種々のパラメータとの関係について述べる。
【００６１】
まず、火花ギャップＧと放電エネルギ密度変化量との関係について、図１４を参照して説明する。ここで、図１４（ａ）は火花ギャップＧ〔ｍｍ〕に対する放電エネルギ密度変化量を示す特性図、図１４（ｂ）は放電エネルギ密度変化量の定義を示す説明図である。
【００６２】
図１４（ｂ）に示すように、放電期間における放電エネルギ密度の下限値との差分を放電エネルギ密度変化量とする。すると、図１４（ａ）に示すように、火花ギャップＧが所定長さを越えて広くなったり、所定長さ未満と狭くなったりすると放電エネルギ密度変化量が多くなる傾向にある。ここで、上述したように、放電期間における放電エネルギ密度は着火に必要な放電エネルギ密度を満足しつつその密度変化量の変動が小さいほど、結果として理想的な放電エネルギが得られるのである。
【００６３】
次に、火花ギャップＧと放電維持期間との関係について、図１５を参照して説明する。ここで、図１５（ａ）は火花ギャップＧ〔ｍｍ〕に対する放電維持期間を示す特性図、図１５（ｂ）は放電維持期間の定義を示す説明図である。
【００６４】
図１５（ｂ）に示すように、点火コイル２５の２次巻線２５ｂ側に流れる２次電流Ｉ2 が放電開始から放電エネルギの放出に連れて徐々に減少し零となる放電終了までを放電維持期間とする。すると、図１５（ａ）に示すように、火花ギャップＧが広くなるに連れて電気抵抗が大きくなり気中放電が困難となり放電維持期間が短くなる傾向にある。
【００６５】
次に、火花ギャップＧと有効放電維持回数との関係について、図１６を参照して説明する。ここで、図１６（ａ）は火花ギャップＧ〔ｍｍ〕に対する有効放電維持回数を示す特性図、図１６（ｂ）は有効放電及び無効放電を示す説明図である。
【００６６】
図１６（ｂ）に示すように、所定の放電期間における放電エネルギ密度が着火に必要な放電エネルギ密度を越えていることで火炎が生成され噴霧燃料に確実に着火され、有効放電としてカウントされる。これに対して、図１６（ｂ）に示すように、放電エネルギ密度が着火に必要な放電エネルギ密度未満であり、かつ放電期間が短いため失火発生となり、無効放電とされる。すると、図１６（ａ）に示すように、火花ギャップＧが広くなるに連れて有効放電が減るため使用可能範囲としての有効放電維持回数が少なくなるのである。
【００６７】
次に、火花ギャップＧと着火に必要な単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度との関係について、図１７の特性図を参照して説明する。図１７に示すように、火花ギャップＧが１．２〔ｍｍ〕を越えて広くなったり、０．４〔ｍｍ〕未満と狭くなったりすると着火に必要な単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度がその下限値である２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕から極端に高くなる傾向にある。したがって、着火に必要な単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度の下限値である２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕を確保しつつその密度変化量の変動を抑えることで、好ましい放電エネルギが得られることとなる。なお、着火に必要な単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度の下限値である２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕が多重放電の各放電期間の８０〔％〕以上で確保されると、多重放電の各放電期間中において噴霧燃料に対して一旦、着火されたのちの火炎は燃焼の持続性により維持され途切れることがないことも発明者等の実験研究により分かった。
【００６８】
更に、より好ましい放電エネルギを得るため、点火プラグ１９の火花ギャップＧとその中心電極径（中心電極１９ａの直径）とについて、図１８及び図１９を参照して説明する。ここで、図１８は点火プラグ１９における着火達成領域を中心電極径と火花ギャップＧとをパラメータとして示す特性図であり、図１９は点火プラグ１９における着火に必要な放電エネルギ密度達成領域を中心電極径と火花ギャップＧとをパラメータとして示す特性図である。
【００６９】
図１８に斜線にて着火達成領域を示すように、点火プラグ１９の中心電極径が１．１〔ｍｍ〕以下、かつ火花ギャップＧが０．４〔ｍｍ〕以上であるときには、火花ギャップＧが極端に広くならない限り確実な着火が得られ、失火発生や放電ミス発生が起きることがない。ここで、点火プラグ１９の放電ギャップＧが０．４〔ｍｍ〕未満と狭くなると放電火花の大きさが小さくなり火炎が生成し難く、点火プラグ１９の放電ギャップＧが大き過ぎるとその電気抵抗が大きくなり気中放電が実現できなくなる。また、点火プラグ１９の中心電極径が大きくなるに連れて電極部材による冷却作用を受け易くなり火炎が生成し難くなる。
【００７０】
一方、図１９に斜線にて着火に必要な放電エネルギ密度達成領域を示すように、点火プラグ１９の中心電極径の大きさに殆ど関わらず火花ギャップＧが１．２〔ｍｍ〕以下であれば着火に必要な放電エネルギ密度が得られている。ここで、点火プラグ１９の放電ギャップＧが１．２〔ｍｍ〕を越えて大きくなると放電期間が縮小し、多重放電の実現が難しくなる。したがって、点火プラグ１９の中心電極径を１．１〔ｍｍ〕以下とし、かつ火花ギャップＧを０．４〜１．２〔ｍｍ〕の範囲となるよう設定することで、結果として理想的な放電エネルギを得ることができる。なお、実際の点火プラグ１９の中心電極径は、その中心電極１９ａの材質による耐久性や生産性等が考慮され決定される。
【００７１】
このように、本実施例の火花点火装置は、多重放電の総放電期間Ｔｔ中の各放電期間ＴL1，…，ＴLnにおける点火プラグ１９の火花ギャップＧの単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度が２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕以上となるよう設定するものである。また、本実施例の火花点火装置は、点火プラグ１９の中心電極径を１．１〔ｍｍ〕以下、その火花ギャップＧを０．４〜１．２〔ｍｍ〕の範囲に設定するものである。
【００７２】
これにより、多重放電の各放電期間で点火プラグ１９の火花ギャップＧによる着火に必要な放電エネルギ密度が満足され、かつ運転条件に対応した放電火花が適切なタイミングで噴霧燃料に対して発生されることで噴霧燃料に対する確実な着火が保証される。また、直噴エンジンで可燃混合気が点火プラグ１９周りに存在するタイミングがばらつく場合でも、着火に必要な放電エネルギ密度が満足されることで、理論空燃比より極めてリーン側の燃焼を安定して実現でき、更なる燃費向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンを示す概略構成図である。
【図２】 図２は図１の点火プラグの先端形状を示す拡大図である。
【図３】 図３は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置で使用されているＥＣＵにおける直噴エンジンに対する燃料噴射・点火時期制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】 図４は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置で用いられる機関回転数とアクセル開度とに基づき成層燃焼運転領域または均質燃焼運転領域にあるかを判定するためのマップである。
【図５】 図５は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで成層燃焼運転時の点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図６】 図６は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで成層燃焼運転時の点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態の変形例を示すタイムチャートである。
【図７】 図７は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで多重放電適用範囲における放電期間の長さを機関回転数及び要求トルクをパラメータとして示す特性図である。
【図８】 図８は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで多重放電適用範囲における間欠期間の長さを機関回転数及び要求トルクをパラメータとして示す特性図である。
【図９】 図９は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで成層燃焼運転時の点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態の他の変形例を示すタイムチャートである。
【図１０】 図１０は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで均質燃焼運転領域における単発放電時で点火プラグの火花ギャップを適切に設定したときの点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図１１】 図１１は図１０に対して点火プラグの火花ギャップを広くしたときの点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図１２】 図１２は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで成層燃焼運転領域における多重放電時で点火プラグの火花ギャップを適切に設定したときの点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図１３】 図１３は図１２に対して点火プラグの火花ギャップを広くしたときの点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図１４】 図１４は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグの火花ギャップと放電エネルギ密度変化量との関係を示す特性図である。
【図１５】 図１５は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグの火花ギャップと放電維持期間との関係を示す特性図である。
【図１６】 図１６は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグの火花ギャップと有効放電維持回数との関係を示す特性図である。
【図１７】 図１７は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグの火花ギャップと着火に必要な単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度との関係を示す特性図である。
【図１８】 図１８は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグにおける着火達成領域を中心電極径と火花ギャップとをパラメータとして示す特性図である。
【図１９】 図１９は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグにおける着火に必要な放電エネルギ密度達成領域を中心電極径と火花ギャップとをパラメータとして示す特性図である。
【図２０】 図２０は一般的な直噴エンジンで成層燃焼運転における成層混合気の時間的な移動を示す説明図である。
【図２１】 図２１は図２０の直噴エンジンの点火プラグの火花ギャップにおける混合気濃度と時間との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０ 直噴エンジン
１９ 点火プラグ
１９ａ 中心電極
２５ 点火コイル
３０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）（点火制御手段）
Ｇ 火花ギャップ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する所謂、直噴エンジンにおける燃料への着火性を向上する火花点火装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の１燃焼サイクル中に複数回の放電を断続して行う多重放電により、燃料への着火性を高める火花点火装置が知られている。
【０００３】
また、近年の直噴エンジンにおいては、エンジン負荷が小さなときには成層燃焼運転とするため、図２０に示すように、ピストン頂面の燃焼室形状や吸気流形成によってインジェクタ（燃料噴射弁）から噴射された噴霧の塊である成層混合気を燃焼室内で移動させ（矢印参照）点火プラグ周辺に可燃混合気を形成するようにしている。このような成層燃焼運転における可燃混合気では、図２１に示すように、点火プラグの火花ギャップでの可燃濃度範囲においても、そのときの運転条件により濃度ばらつきや時間ばらつきを有しており、その混合気濃度により着火に必要な放電エネルギの異なることが一般的に知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述の多重放電時の各パルスにおける放電エネルギ量の必要量は未知であった。このため、成層混合気のばらつきに対して多重放電するにも、従来の単発放電と同等の放電エネルギを供給している。これは、着火の容易な混合気条件に対しても多大な放電エネルギを投入している等、過剰な放電エネルギの投入となっており、点火系における電気エネルギの消費量を増大させる要因となり、それに伴い点火コイルは大型化し内燃機関への搭載性を損なっていた。また、放電エネルギ量の増大は点火プラグの放電電極の耐消耗性、バッテリやオルタネータ更には機関出力にも悪影響を及ぼすという不具合があった。
【０００５】
そこで、この発明はかかる不具合を解決するためになされたもので、各放電エネルギ量を運転条件に応じて変化させ、混合気状態に応じて最適な放電エネルギの投入を行うことにより燃焼状態の改善及び放電エネルギの抑制、点火コイル大型化の抑制が可能な火花点火装置の提供を課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の火花点火装置によれば、直噴エンジンで少なくとも成層燃焼運転条件の一部または全部で多重放電とするべく点火コイルによる高電圧の印加を短時間に断続的に複数回行い点火プラグに複数回の放電火花を発生させることで噴霧燃料の濃度変化に対応でき確実に着火される。また、成層燃焼運転条件以外の運転条件及び成層燃焼運転条件の上記多重放電を用いない条件であるときには点火プラグに１回以上の放電火花を発生させることで噴霧燃料に確実に着火される。このように、直噴エンジンの成層燃焼運転条件の一部または全部、その他の運転条件に適した回数の放電火花が所定のタイミングで噴霧燃料に対して発生されることで噴霧燃料に対する確実な着火が保証される。
また、点火制御手段では、直噴エンジンが成層燃焼運転条件にあって多重放電とするか、またはその他の運転条件にあって単発放電とするかの切替や多重放電の開始から終了までの総放電期間、各放電期間、各間欠期間を算出するにあたって直噴エンジンの運転条件毎に予め設定されたマップが用いられる。このように、予め設定されたマップを用いることで、運転条件の切替を素早く正確に行えると共に、多重放電の総放電期間、各放電期間、各間欠期間を瞬時に設定でき適切な点火制御が行われ良好な着火が得られる。
そして、多重放電の各間欠期間は、徐々に長くなるよう設定されるため、多重放電における放電終了間際であっても噴霧燃料に着火するための放電エネルギの蓄積が可能となる。このため、成層燃焼運転条件における総放電期間にわたり噴霧燃料に対する確実な着火が保証される。
更に、多重放電の総放電期間中の各放電期間における放電エネルギ密度は、直噴エンジンの運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するように設定される。このため、成層燃焼運転条件における放電火花による着火が保証されると共に、点火系における電気エネルギ消費が抑制される。
【０００７】
請求項２の火花点火装置によれば、直噴エンジンで少なくとも成層燃焼運転条件の一部または全部で多重放電とするべく点火コイルによる高電圧の印加を短時間に断続的に複数回行い点火プラグに複数回の放電火花を発生させることで噴霧燃料の濃度変化に対応でき確実に着火される。また、成層燃焼運転条件以外の運転条件及び成層燃焼運転条件の上記多重放電を用いない条件であるときには点火プラグに１回以上の放電火花を発生させることで噴霧燃料に確実に着火される。このように、直噴エンジンの成層燃焼運転条件の一部または全部、その他の運転条件に適した回数の放電火花が所定のタイミングで噴霧燃料に対して発生されることで噴霧燃料に対する確実な着火が保証される。
また、点火制御手段では、直噴エンジンが成層燃焼運転条件にあって多重放電とするか、またはその他の運転条件にあって単発放電とするかの切替や多重放電の開始から終了までの総放電期間、各放電期間、各間欠期間を算出するにあたって直噴エンジンの運転条件毎に予め設定されたマップが用いられる。このように、予め設定されたマップを用いることで、運転条件の切替を素早く正確に行えると共に、多重放電の総放電期間、各放電期間、各間欠期間を瞬時に設定でき適切な点火制御が行われ良好な着火が得られる。
そして、多重放電の総放電期間中の各放電期間における放電エネルギ密度は、直噴エンジンの運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するように設定される。このため、成層燃焼運転条件における放電火花による着火が保証されると共に、点火系における電気エネルギ消費が抑制される。
請求項３の火花点火装置によれば、前記多重放電の総放電期間中の各放電期間における放電エネルギ密度を、１８〔ｍＪ／ｍｓ：ミリジュール／ミリ秒〕以上となるよう設定するものであるから、このため、成層燃焼運転条件における放電火花による着火が保証されると共に、点火系における電気エネルギ消費が抑制される。
【０００８】
請求項４の火花点火装置では、多重放電の総放電期間が１．０〜３．０〔ｍｓ〕の範囲に設定されるため、多重放電における混合気形成の時間的なばらつきや混合気濃度のばらつきに対しても着火に十分な放電エネルギが供給されると共に、点火系における電気エネルギ消費が抑制される。
【０００９】
請求項５の火花点火装置では、多重放電の各放電期間が０．０５〜０．５〔ｍｓ〕の範囲に設定されるため、多重放電における毎回の放電エネルギ量が適切に制御される。
【００１０】
請求項６の火花点火装置では、多重放電の各間欠期間が０．１〜１．０〔ｍｓ〕の範囲に設定されるため、多重放電における毎回の放電エネルギ量が適切に制御される。
【００１３】
請求項７の火花点火装置における点火制御手段では、点火コイルの１次電流を通電／遮断させ点火プラグの火花ギャップに放電火花を発生させ多重放電が行われる。このように、直噴エンジンの１燃焼サイクル中の圧縮上死点付近にて多重放電を行わせることで噴霧燃料の混合気濃度変化に対応でき確実に着火される。
【００１４】
請求項８の火花点火装置では、放電エネルギ密度が１８〔ｍＪ／ｍｓ〕未満となった時点で放電が持続していたとしても、多重放電の間欠期間としてカウントされるがその間欠期間が０．１〜１．０〔ｍｓ〕の範囲に設定される。このように、多重放電における各間欠期間が適切に設定されることで毎回の放電エネルギ量が適切に制御される。
【００１５】
請求項９の火花点火装置では、多重放電の総放電期間中の各放電期間における点火プラグの火花ギャップの単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度が直噴エンジンの運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するための下限値である２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕以上となるよう設定される。これにより、成層燃焼運転条件における多重放電の各放電期間で点火プラグの火花ギャップによる着火に必要な放電エネルギ密度が満足されると共に、点火系における電気エネルギ消費が抑制される。
【００１６】
請求項１０の火花点火装置では、点火プラグの中心電極の直径が１．１〔ｍｍ〕以下でその火花ギャップが０．４〜１．２〔ｍｍ〕の範囲に設定される。このように、点火プラグの中心電極の直径及び火花ギャップの範囲が規定されることで、直噴エンジンの運転条件に対応した噴霧燃料に対する放電火花による確実な着火が保証される。
【００１７】
請求項１１の火花点火装置では、点火プラグの火花ギャップの単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度が多重放電の各放電期間に対して８０〔％〕以上で２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕以上となるよう設定される。これにより、多重放電の各放電期間中において噴霧燃料に対して一旦、着火されたのちの火炎が燃焼の持続性により維持される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された内燃機関としての直噴エンジンを示す概略構成図、図２は図１の点火プラグの先端形状を示す拡大図である。
【００２０】
図１及び図２において、各気筒内に燃料を直接噴射する直噴エンジン（直接噴射式ガソリン機関）１０のシリンダヘッド１１には吸気通路１２が接続されている。この吸気通路１２の下流側には吸気ポート１３が形成され吸気バルブ１４が配設されている。また、吸気通路１２の上流側にはスロットルバルブ１５が配設されている。このスロットルバルブ１５のスロットル開度ＴＡは、アクセルペダル４１の踏込量を検出するアクセル開度センサ４２からのアクセル開度ＡＰに応じて後述のＥＣＵ（Electronic Control Unit:電子制御ユニット）３０にて制御される電流により調整され、スロットル開度センサ１６によって検出される。そして、スロットルバルブ１５を介して吸入された空気は、吸気バルブ１４の開弁時期に吸気ポート１３を通ってシリンダヘッド１１とピストン１７とで形成される燃焼室１８内に供給される。
【００２１】
直噴エンジン１０のシリンダヘッド１１の頭頂部には燃焼室１８内に向けて点火プラグ１９が配設されている。更に、直噴エンジン１０のシリンダヘッド１１の横側にはインジェクタ２１が配設され、その噴射孔２１ａは燃焼室１８内に突出されている。そして、高圧燃料ポンプ（図示略）にて加圧されインジェクタ２１に供給される高圧燃料は、インジェクタ２１の開弁時期に燃焼室１８内に直接噴射される。この燃焼室１８内に直接噴射された高圧燃料が吸気バルブ１４側から導入された空気と混合され、点火プラグ１９の中心電極１９ａと接地電極１９ｂとの間の火花ギャップＧに発生される放電火花により着火され燃焼される。
【００２２】
一方、直噴エンジン１０のシリンダヘッド１１には排気通路２２が接続されている。この排気通路２２には排気ポート２３が形成され排気バルブ２４が配設されている。そして、燃焼室１８で燃焼された排気ガスは排気バルブ２４の開弁時期に排気ポート２３を通って排気通路２２側に排出される。
【００２３】
点火プラグ１９の中心電極１９ａには、点火コイル２５の２次巻線２５ｂの一端が接続されている。また、点火コイル２５の１次巻線２５ａの一端はバッテリ２６に接続され、点火コイル２５の１次巻線２５ａの他端はパワートランジスタ２７のコレクタ側に接続されている。直噴エンジン１０の運転中においては、ＥＣＵ３０からパワートランジスタ２７のベース側に出力される点火信号（パルス信号）ＩＧｔに基づきパワートランジスタ２７がオン／オフされることで、バッテリ２６から点火コイル２５の１次巻線２５ａ側を流れる１次電流Ｉ1 が通電／遮断される。そして、点火信号ＩＧｔの立下がりによってパワートランジスタ２７がオフされ、点火コイル２５の１次巻線２５ａ側を流れる１次電流Ｉ1 が遮断されると、その１次電流Ｉ1 に対応する逆起電力が１次側に発生される。この逆起電力に誘導され、点火コイル２５の２次巻線２５ｂ側に２次電流Ｉ2 が流れることとなる。この２次電流Ｉ2 により発生される点火コイル２５の１次巻線２５ａと２次巻線２５ｂとの巻数比倍である高電圧な２次電圧Ｖ2 が点火プラグ１９に印加され、その火花ギャップＧに放電火花が発生されるのである。
【００２４】
ＥＣＵ３０は、周知の中央処理装置としてのＣＰＵ３１、制御プログラムや制御マップを格納したＲＯＭ３２、各種データを格納するＲＡＭ３３、Ｂ／Ｕ（バックアップ）ＲＡＭ３４、入出力回路３５及びそれらを接続するバスライン３６等からなる論理演算回路として構成されている。ＥＣＵ３０にはアクセル開度センサ４２からのアクセル開度ＡＰ〔°〕、スロットル開度センサ１６からのスロットル開度ＴＡ〔°〕、直噴エンジン１０のクランクシャフト２０に配設されたクランク角センサ２８からのクランク角θ1 〔°ＣＡ(Crank Angle）〕、カムシャフト（図示略）に配設されたカム角センサ２９からのカム角θ2 〔°ＣＡ〕等の各種センサ信号が入力されている。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置で使用されているＥＣＵ３０内のＣＰＵ３１における直噴エンジン１に対する燃料噴射・点火時期制御の処理手順を示す図３のフローチャートに基づき、図４を参照して説明する。ここで、図４は機関回転数ＮＥとエンジン負荷としてのアクセル開度ＡＰとに基づき成層燃焼運転領域または均質燃焼運転領域にあるかを判定するためのマップである。なお、この燃料噴射・点火時期制御ルーチンは所定時間毎にＣＰＵ３１にて繰返し実行される。
【００２６】
図３において、ステップＳ１０１で、まず、クランク角センサ２８からのクランク角θ1 による機関回転数ＮＥが読込まれる。次にステップＳ１０２に移行して、エンジン負荷としてアクセル開度センサ４２からのアクセル開度ＡＰが読込まれる。次にステップＳ１０３に移行して、エンジン負荷が小さなときの燃焼運転領域である成層燃焼運転領域であるかが判定される。ステップＳ１０３の判定条件が成立、即ち、このときのエンジン負荷が小さく、図４に示すように、機関回転数ＮＥとアクセル開度ＡＰとによる燃焼運転領域が成層燃焼運転領域で、多重放電適用の条件にあるときにはステップＳ１０４に移行し、機関回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＰ等のパラメータに基づきスロットル開度、燃料噴射時期、燃料噴射期間、点火時期、多重放電の開始から終了までの総放電期間、各放電期間及び各間欠期間がＲＯＭ３２内に予め格納されている制御マップ（図示略）により算出される。
【００２７】
一方、ステップＳ１０３の判定条件が成立せず、即ち、このときのエンジン負荷が大きく、図４に示すように、機関回転数ＮＥとアクセル開度ＡＰとによる燃焼運転領域が成層燃焼運転領域における多重放電適用の条件外や均質燃焼運転領域にあるときにはステップＳ１０５に移行し、機関回転数ＮＥ及びアクセル開度ＡＰ等のパラメータに基づきスロットル開度、燃料噴射時期、燃料噴射期間及び点火時期がＲＯＭ３２内に予め格納されている制御マップ（図示略）により算出される。ステップＳ１０４またはステップＳ１０５における処理ののちステップＳ１０６に移行し、クランク角センサ２８からの現在のクランク角θ1 〔°ＣＡ〕が読込まれる。次にステップＳ１０７に移行して、燃料噴射時期であるかが判定される。ステップＳ１０７の判定条件が成立せず、即ち、未だ燃料噴射時期でないときにはステップＳ１０６に戻り同様の処理が繰返される。
【００２８】
ステップＳ１０７の判定条件が成立、即ち、燃料噴射時期であるとステップＳ１０８に移行し、ステップＳ１０４またはステップＳ１０５で算出された燃料噴射時期及び燃料噴射期間に基づく燃料噴射信号がインジェクタ２１に対して出力される。次にステップＳ１０９に移行して、クランク角センサ２８からの現在のクランク角θ1 〔°ＣＡ〕が読込まれる。次にステップＳ１１０に移行して、点火時期であるかが判定される。ステップＳ１１０の判定条件が成立せず、即ち、未だ点火時期でないときにはステップＳ１０９に戻り同様の処理が繰返される。そして、ステップＳ１１０の判定条件が成立、即ち、ステップＳ１０４またはステップＳ１０５で算出された点火時期であるとステップＳ１１１に移行し、このとき成層燃焼運転領域であればステップＳ１０４で算出された総放電期間、各放電期間及び各間欠期間に基づき多重放電するための点火信号ＩＧｔがパワートランジスタ２７に対して出力される。一方、このとき均質燃焼運転領域であれば単発放電するための点火信号ＩＧｔがパワートランジスタ２７に対して出力され、本ルーチンを終了する。
【００２９】
次に、図３の燃料噴射・点火時期制御ルーチンにおけるステップＳ１０４の総放電期間、各放電期間及び各間欠期間の設定について、成層燃焼運転領域における多重放電時の点火信号ＩＧｔ、２次電圧Ｖ2 、２次電流Ｉ2 及び放電エネルギ密度ｄＥの遷移状態を示す図５のタイムチャートを参照して説明する。
【００３０】
図５に示すように、点火信号ＩＧｔはＥＣＵ３０から多重放電時にパワートランジスタ２７に出力される。この点火信号ＩＧｔがハイレベルとなる期間、パワートランジスタ２７がオンとなり、点火コイル２５の１次巻線２５ａにバッテリ２６から１次電流Ｉ1 が流れ点火エネルギが蓄えられる。そして、この点火信号ＩＧｔがローレベルとなる立下がり時点でパワートランジスタ２７がオフとなり、点火コイル２５に蓄えられた点火エネルギがその２次巻線２５ｂを介して放出され、２次電流Ｉ2 が流れ点火プラグ１９には高電圧な２次電圧Ｖ2 が印加される。
【００３１】
このため、図５に示す点火信号ＩＧｔがハイレベルである間欠期間ＴH1，…，ＴHnが長いほど放電期間ＴL1，…，ＴLnで大きな放電エネルギ量が得られ、放電エネルギ密度ｄＥが高くなって１発の放電期間を長く設定することができる。したがって、多重放電時の総放電期間Ｔｔを最大３〔ｍｓ〕、間欠期間ＴH2，…，ＴHnを最大１〔ｍｓ〕に設定する。
【００３２】
上述の実施例では、総放電期間Ｔｔにおける１発当たりの放電エネルギ密度がそれぞれ同じであったが、放電初期の放電エネルギ密度または放電終了間際の放電エネルギ密度が高くなるよう総放電期間Ｔｔの直前の間欠期間ＴH1または最後の間欠期間ＴHnを長く設定してもよい。ここで、放電初期の放電エネルギ密度を高くしたときには、総放電期間Ｔｔにおける最初の放電期間ＴL1で着火する確率を高くすることができ、結果として、点火時期のばらつきを小さくでき燃焼状態を安定させることができる。
【００３３】
次に、放電終了間際の放電エネルギ密度を高くしたときの効果について説明する。
【００３４】
直噴エンジン１が成層燃焼運転領域における運転状態であるときには、点火プラグ１９の火花ギャップＧ周りの混合気は、時間経過に連れて薄くなり着火し難くなる。したがって、多重放電時における最初の時点で着火できなかった混合気に対して着火させるためには、より高い放電エネルギ密度が必要となる。
【００３５】
発明者等の実験研究によれば、運転条件によるが、着火に必要な放電エネルギ密度は最低１８〔ｍＪ／ｍｓ〕であり、着火に必要な放電期間は０．０５〔ｍｓ〕であった。したがって、間欠期間ＴH1，…，ＴHnは、直噴エンジン１の運転条件（機関回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＰ等）に対して決定される。
【００３６】
また、発明者等の実験研究によれば、３〔ｍｓ〕の長期間連続放電によって、直噴エンジン１の運転条件が如何なる場合であっても確実に着火可能であることが確認された。これに対し、例として、ある直噴エンジンの運転条件による放電期間、間欠期間は図５に示すように、制御する必要があった。例えば、低負荷、低回転の運転条件では、総放電期間Ｔｔが３〔ｍｓ〕の多重放電時において、１発ずつの放電エネルギ密度ｄＥが１８〔ｍＪ／ｍｓ〕であって、放電期間が０．０５〔ｍｓ〕で間欠期間が１〔ｍｓ〕以下のとき長期間連続放電と同等の結果が得られた。また、負荷増、回転増の運転条件では、放電期間が０．５〔ｍｓ〕程度で間欠期間が０．４〔ｍｓ〕程度であった。
【００３７】
そして、発明者等の実験研究によれば、１発の放電火花にかかる放電エネルギ密度ｄＥを３０〔ｍＪ／ｍｓ〕以上としても着火の確率は高くならなかった。これにより、多重放電時の放電エネルギ密度ｄＥは３０〔ｍＪ／ｍｓ〕以上を確保すればよいことが分かった。
【００３８】
このように、本実施例の火花点火装置は、各気筒内に燃料を直接噴射する直噴エンジン１０の各気筒毎に取付けられた点火プラグ１９と、点火プラグ１９に点火時期に高電圧を印加し放電火花を発生させる点火コイル２５と、点火コイル２５による高電圧の印加を短時間に断続的に複数回行うことが可能なＥＣＵ３０にて達成される点火制御手段とを具備し、点火制御手段を達成するＥＣＵ３０はエンジン負荷の小さな成層燃焼運転条件における一部または全部では点火プラグ１９を多重放電させ、その他の運転条件では点火プラグ１９を単発放電させるものである。
【００３９】
つまり、直噴エンジンでエンジン負荷が小さく成層燃焼運転条件の一部または全部であるときには多重放電とするべく点火コイルによる高電圧の印加を短時間に断続的に複数回行い点火プラグ１９に複数回の放電火花を発生させることで噴霧燃料の濃度変化に対応でき確実に着火することができる。また、成層燃焼運転条件以外の運転条件であるときには単発放電とするべく点火コイルによる高電圧の印加を１回だけ行い点火プラグ１９に１回の放電火花を発生させることで噴霧燃料に確実に着火することができる。このように、直噴エンジン１０の成層燃焼運転条件の一部または全部、その他の運転条件に適した回数の放電火花が所定のタイミングで噴霧燃料に対して発生されることで噴霧燃料に対する確実な着火を保証することができる。
【００４０】
また、本実施例の火花点火装置は、点火制御手段を達成するＥＣＵ３０が多重放電と単発放電との切替、多重放電の開始から終了までの総放電期間Ｔｔ、各放電期間ＴL1，…，ＴLn、各間欠期間ＴH2，…，ＴHnを直噴エンジン１０の運転条件毎に予め設定されＲＯＭ３２内に格納された制御マップに基づき算出するものである。つまり、直噴エンジン１０が成層燃焼運転条件にあって多重放電とするか、またはその他の運転条件にあって単発放電とするかの切替や多重放電における制御パルスである点火信号ＩＧｔの立上がり及び立下がりの繰返しに伴う総放電期間、各放電期間、各間欠期間を算出するにあたって直噴エンジン１０の運転条件をパラメータとするＲＯＭ３２内に格納された制御マップが用いられる。このように、予め格納された制御マップを用いることで、燃焼運転条件の切替が素早く正確にできると共に、多重放電の総放電期間、各放電期間、各間欠期間を瞬時に設定でき適切な点火制御を行うことができ良好な着火が得られる。
【００４１】
そして、本実施例の火花点火装置は、多重放電における総放電期間Ｔｔが直噴エンジン１０の運転条件に応じて１．０〜３．０〔ｍｓ〕の範囲に設定される。これにより、多重放電における混合気形成の時間的なばらつきや混合気濃度のばらつきに対しても着火に十分な放電エネルギを供給できると共に、点火系における電気エネルギ消費を抑制することができる。
【００４２】
更に、本実施例の火花点火装置は、多重放電における各放電期間ＴL1，…，ＴLnが直噴エンジン１０の運転条件に応じて０．０５〜０．５〔ｍｓ〕の範囲に設定される。これにより、多重放電における毎回の放電エネルギ量を適切に制御することができる。
【００４３】
また、本実施例の火花点火装置は、多重放電における各間欠期間ＴH2，…，ＴHnが直噴エンジン１０の運転条件に応じて０．１〜１．０〔ｍｓ〕の範囲に設定される。これにより、多重放電における毎回の放電エネルギ量を適切に制御することができる。
【００４４】
そして、本実施例の火花点火装置は、多重放電の総放電期間Ｔｔ中の各放電期間ＴL1，…，ＴLnにおける放電エネルギ密度ｄＥが直噴エンジン１０の運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するための下限値である１８〔ｍＪ／ｍｓ〕以上となるよう設定される。このため、成層燃焼運転条件における放電火花による着火が保証されると共に、点火系における電気エネルギ消費を抑制することができる。
【００４５】
更に、本実施例の火花点火装置は、点火制御手段を達成するＥＣＵ３０が点火コイル２５の１次電流Ｉ1 を通電／遮断させ点火プラグ１９の火花ギャップＧに放電火花を発生させ多重放電が行われる。このように、直噴エンジン１０の１燃焼サイクル中の圧縮上死点付近にて多重放電を行わせることで噴霧燃料の混合気濃度変化に対応でき確実に着火させることができる。
【００４６】
加えて、本実施例の火花点火装置は、図６に示すような、多重放電による連続した放電ではあるが、放電エネルギ密度ｄＥが１８〔ｍＪ／ｍｓ〕を下回る期間が存在する放電については１８〔ｍＪ／ｍｓ〕を下回った時点で多重放電の間欠期間と見做してカウントされることで毎回の放電エネルギ量が適切に制御される。即ち、図６に斜線部にて示す放電エネルギ密度ｄＥが１８〔ｍＪ／ｍｓ〕を下回る期間を０．１〜１．０〔ｍｓ〕の範囲に設定すればよい。
【００４７】
ところで、上記実施例では、多重放電時における総放電期間Ｔｔに対する間欠期間ＴH2，…，ＴHnを全て同じ長さに設定したが、本発明を実施する場合には、これに限定されるものではなく、放電期間や間欠期間をそれぞれ異なる長さとしてもよく、例えば、多重放電時における放電初期または放電終了間際の単位時間〔ｍｓ〕当たりの放電エネルギ量が３０〔ｍＪ〕以上、放電中期の単位時間〔ｍｓ〕当たりの放電エネルギ量が１８〔ｍＪ〕以上となるよう放電期間ＴL1，…，ＴLnに対する間欠期間ＴH2，…，ＴHnの長さを設定してもよい。このとき、例えば、図７に示すように、パラメータとしての機関回転数ＮＥや要求トルクが大きいほど多重放電適用範囲における放電期間が長くなるよう設定される。また、例えば、図８に示すように、パラメータとしての機関回転数ＮＥや要求トルクが大きいほど多重放電適用範囲における間欠期間が短くなるよう設定される。
【００４８】
このような、多重放電時における放電初期または放電終了間際の放電エネルギ密度の設定により、放電初期または放電終了間際の噴霧燃料に対する放電火花による着火が確保されつつ点火系における電気エネルギ消費を抑制することができると共に、放電中期の噴霧燃料に対する放電火花による着火のための放電エネルギ密度が下限値以上となるよう維持されることで、放電中期の噴霧燃料に対する放電火花による着火も保証することができる。このため、成層燃焼運転時の総放電期間における点火系の電気エネルギ消費を抑制しつつ噴霧燃料に対する確実な着火を保証することができる。
【００４９】
また、多重放電時の総放電期間Ｔｔにおける間欠期間ＴH2，…，ＴHnを例えば、図９に図５のタイムチャートの他の変形例を示すように、後半になるに連れて徐々に長くなるように設定してもよい。ここで、放電期間ＴL1，…，ＴLnが間欠期間ＴH2，…，ＴHnに対して長いときには１発の放電毎に点火コイル２５に蓄えられた点火エネルギが殆ど放出され、点火エネルギの蓄積が放電に間に合わなくなることが考えられる。これに対して、前半の放電期間を短くしておくことで、点火コイル２５に蓄えられた点火エネルギが全て放出される以前に放電停止され間欠期間中のエネルギ充填が少なくて済むこととなる。これにより、成層燃焼運転時の多重放電による放電終了間際であっても噴霧燃料に着火するための放電エネルギを蓄積することができ、各放電期間ＴL1，…，ＴLnが必要な放電エネルギ密度ｄＥである１８〔ｍＪ／ｍｓ〕以上を満足した多重放電を行うことができる。
【００５０】
そして、多重放電とするか単発放電とするかの切替や多重放電における総放電期間、各放電期間、各間欠期間を算出するに当たっての運転条件パラメータは機関回転数ＮＥのみとしてもよい。即ち、多重放電が必要な成層燃焼運転条件を含む機関回転数で、成層燃焼に有効な多重放電を実施することで、本来、多重放電が必要のない均質燃焼運転時でも多重放電を実施することにはなるが、制御の簡素化ができるといった利点もある。
【００５１】
次に、本実施例の直噴エンジンに配設されている点火プラグ１９の火花ギャップＧのギャップ長（以下、単に『火花ギャップＧ』とも記す）とその火花ギャップＧに放電火花を発生させ噴霧燃料に対する着火に必要な放電エネルギ密度との関係について、以下に説明する。
【００５２】
図１０及び図１１は本実施例の直噴エンジン１０による均質燃焼運転領域における単発放電時の点火信号ＩＧｔ、２次電圧Ｖ2 、２次電流Ｉ2 及び放電エネルギ密度ｄＥの遷移状態を示すタイムチャートであり、図１１では図１０に比べて点火プラグ１９の火花ギャップＧが広く設定されている。
【００５３】
図１０及び図１１に示すように、点火信号ＩＧｔはＥＣＵ３０から単発放電時にパワートランジスタ２７に出力される。この点火信号ＩＧｔがハイレベルとなる期間、パワートランジスタ２７がオンとなり、点火コイル２５の１次巻線２５ａにバッテリ２６から１次電流Ｉ1 が流れ点火エネルギが蓄えられる。そして、この点火信号ＩＧｔがローレベルとなる立下がり時点でパワートランジスタ２７がオフとなり、点火コイル２５に蓄えられた点火エネルギがその２次巻線２５ｂを介して放出され、２次電流Ｉ2 が流れ点火プラグ１９に高電圧な２次電圧Ｖ2 が印加される。
【００５４】
図１０では、点火プラグ１９の火花ギャップＧが適切に設定されており、単発放電における放電エネルギ密度ｄＥ（＝Ｉ2 ×Ｖ2 ）が、直噴エンジンの運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するための下限値としての放電開始から放電終了まで着火に必要な放電エネルギ密度が満足されている。
【００５５】
これに対して、図１１では、点火プラグ１９の火花ギャップＧが図１０に比べて広く設定されているため、放電開始から放電終了までの放電エネルギ密度ｄＥ（＝Ｉ2 ×Ｖ2 ）が着火に必要な放電エネルギ密度を大きく越え、その分が無駄となっている。また、図１０及び図１１に斜線（面積）にて示す放電エネルギＥ（＝∫（Ｉ2 ×Ｖ2 ）ｄｔ）は同等であるため、図１１では放電開始から放電終了までの放電期間が短くなっている。これにより、運転条件によっては着火に必要な放電火花の発生タイミングが得られず火炎が生成されなくて失火に陥るという不都合が生じる要因となる。
【００５６】
図１２及び図１３は本実施例の直噴エンジン１０による成層燃焼運転領域における多重放電時の点火信号ＩＧｔ、２次電圧Ｖ2 、２次電流Ｉ2 及び放電エネルギ密度ｄＥの遷移状態を示すタイムチャートであり、図１３では図１２に比べて点火プラグ１９の火花ギャップＧが広く設定されている。
【００５７】
図１２及び図１３に示すように、点火信号ＩＧｔはＥＣＵ３０から多重放電時にパワートランジスタ２７に出力される。この点火信号ＩＧｔがハイレベルとなる期間、パワートランジスタ２７がオンとなり、点火コイル２５の１次巻線２５ａにバッテリ２６から１次電流Ｉ1 が流れ点火エネルギが蓄えられる。そして、この点火信号ＩＧｔがローレベルとなる立下がり時点でパワートランジスタ２７がオフとなり、点火コイル２５に蓄えられた点火エネルギがその２次巻線２５ｂを介して放出され、２次電流Ｉ2 が流れ点火プラグ１９に高電圧な２次電圧Ｖ2 が印加される。
【００５８】
図１２では、点火プラグ１９の火花ギャップＧが適切に設定されており、多重放電における放電エネルギ密度ｄＥ（＝Ｉ2 ×Ｖ2 ）が、直噴エンジンの運転条件に応じて噴霧燃料に対する放電火花による着火を確保するための下限値としての放電開始から放電終了まで着火に必要な放電エネルギ密度が満足されている。
【００５９】
これに対して、図１３では、点火プラグ１９の火花ギャップＧが図１２に比べて広く設定されているため、放電開始から放電終了までの放電エネルギ密度ｄＥ（＝Ｉ2 ×Ｖ2 ）が最初の放電期間では着火に必要な放電エネルギ密度を大きく越え、最後の放電期間では着火に必要な放電エネルギ密度を下回っている。ここで、図１２及び図１３に斜線（面積）にて示す放電エネルギＥ（＝∫（Ｉ2 ×Ｖ2 ）ｄｔ）は同等であるため、図１３では放電開始から放電終了までの放電期間の最初のうちは放電エネルギが無駄に供給され、最後のほうでは放電エネルギが不足すると共に、放電期間が短くなっている。これにより、運転条件によっては着火に必要な放電火花の発生タイミングが得られず火炎が生成されなくて失火に陥るという不都合が生じる要因となる。
【００６０】
次に、上述の着火に必要な放電エネルギ密度が過不足なく所定の放電期間で得られるよう点火プラグ１９の火花ギャップＧを適切に規定するため、火花ギャップＧと種々のパラメータとの関係について述べる。
【００６１】
まず、火花ギャップＧと放電エネルギ密度変化量との関係について、図１４を参照して説明する。ここで、図１４（ａ）は火花ギャップＧ〔ｍｍ〕に対する放電エネルギ密度変化量を示す特性図、図１４（ｂ）は放電エネルギ密度変化量の定義を示す説明図である。
【００６２】
図１４（ｂ）に示すように、放電期間における放電エネルギ密度の下限値との差分を放電エネルギ密度変化量とする。すると、図１４（ａ）に示すように、火花ギャップＧが所定長さを越えて広くなったり、所定長さ未満と狭くなったりすると放電エネルギ密度変化量が多くなる傾向にある。ここで、上述したように、放電期間における放電エネルギ密度は着火に必要な放電エネルギ密度を満足しつつその密度変化量の変動が小さいほど、結果として理想的な放電エネルギが得られるのである。
【００６３】
次に、火花ギャップＧと放電維持期間との関係について、図１５を参照して説明する。ここで、図１５（ａ）は火花ギャップＧ〔ｍｍ〕に対する放電維持期間を示す特性図、図１５（ｂ）は放電維持期間の定義を示す説明図である。
【００６４】
図１５（ｂ）に示すように、点火コイル２５の２次巻線２５ｂ側に流れる２次電流Ｉ2 が放電開始から放電エネルギの放出に連れて徐々に減少し零となる放電終了までを放電維持期間とする。すると、図１５（ａ）に示すように、火花ギャップＧが広くなるに連れて電気抵抗が大きくなり気中放電が困難となり放電維持期間が短くなる傾向にある。
【００６５】
次に、火花ギャップＧと有効放電維持回数との関係について、図１６を参照して説明する。ここで、図１６（ａ）は火花ギャップＧ〔ｍｍ〕に対する有効放電維持回数を示す特性図、図１６（ｂ）は有効放電及び無効放電を示す説明図である。
【００６６】
図１６（ｂ）に示すように、所定の放電期間における放電エネルギ密度が着火に必要な放電エネルギ密度を越えていることで火炎が生成され噴霧燃料に確実に着火され、有効放電としてカウントされる。これに対して、図１６（ｂ）に示すように、放電エネルギ密度が着火に必要な放電エネルギ密度未満であり、かつ放電期間が短いため失火発生となり、無効放電とされる。すると、図１６（ａ）に示すように、火花ギャップＧが広くなるに連れて有効放電が減るため使用可能範囲としての有効放電維持回数が少なくなるのである。
【００６７】
次に、火花ギャップＧと着火に必要な単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度との関係について、図１７の特性図を参照して説明する。図１７に示すように、火花ギャップＧが１．２〔ｍｍ〕を越えて広くなったり、０．４〔ｍｍ〕未満と狭くなったりすると着火に必要な単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度がその下限値である２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕から極端に高くなる傾向にある。したがって、着火に必要な単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度の下限値である２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕を確保しつつその密度変化量の変動を抑えることで、好ましい放電エネルギが得られることとなる。なお、着火に必要な単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度の下限値である２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕が多重放電の各放電期間の８０〔％〕以上で確保されると、多重放電の各放電期間中において噴霧燃料に対して一旦、着火されたのちの火炎は燃焼の持続性により維持され途切れることがないことも発明者等の実験研究により分かった。
【００６８】
更に、より好ましい放電エネルギを得るため、点火プラグ１９の火花ギャップＧとその中心電極径（中心電極１９ａの直径）とについて、図１８及び図１９を参照して説明する。ここで、図１８は点火プラグ１９における着火達成領域を中心電極径と火花ギャップＧとをパラメータとして示す特性図であり、図１９は点火プラグ１９における着火に必要な放電エネルギ密度達成領域を中心電極径と火花ギャップＧとをパラメータとして示す特性図である。
【００６９】
図１８に斜線にて着火達成領域を示すように、点火プラグ１９の中心電極径が１．１〔ｍｍ〕以下、かつ火花ギャップＧが０．４〔ｍｍ〕以上であるときには、火花ギャップＧが極端に広くならない限り確実な着火が得られ、失火発生や放電ミス発生が起きることがない。ここで、点火プラグ１９の放電ギャップＧが０．４〔ｍｍ〕未満と狭くなると放電火花の大きさが小さくなり火炎が生成し難く、点火プラグ１９の放電ギャップＧが大き過ぎるとその電気抵抗が大きくなり気中放電が実現できなくなる。また、点火プラグ１９の中心電極径が大きくなるに連れて電極部材による冷却作用を受け易くなり火炎が生成し難くなる。
【００７０】
一方、図１９に斜線にて着火に必要な放電エネルギ密度達成領域を示すように、点火プラグ１９の中心電極径の大きさに殆ど関わらず火花ギャップＧが１．２〔ｍｍ〕以下であれば着火に必要な放電エネルギ密度が得られている。ここで、点火プラグ１９の放電ギャップＧが１．２〔ｍｍ〕を越えて大きくなると放電期間が縮小し、多重放電の実現が難しくなる。したがって、点火プラグ１９の中心電極径を１．１〔ｍｍ〕以下とし、かつ火花ギャップＧを０．４〜１．２〔ｍｍ〕の範囲となるよう設定することで、結果として理想的な放電エネルギを得ることができる。なお、実際の点火プラグ１９の中心電極径は、その中心電極１９ａの材質による耐久性や生産性等が考慮され決定される。
【００７１】
このように、本実施例の火花点火装置は、多重放電の総放電期間Ｔｔ中の各放電期間ＴL1，…，ＴLnにおける点火プラグ１９の火花ギャップＧの単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度が２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕以上となるよう設定するものである。また、本実施例の火花点火装置は、点火プラグ１９の中心電極径を１．１〔ｍｍ〕以下、その火花ギャップＧを０．４〜１．２〔ｍｍ〕の範囲に設定するものである。
【００７２】
これにより、多重放電の各放電期間で点火プラグ１９の火花ギャップＧによる着火に必要な放電エネルギ密度が満足され、かつ運転条件に対応した放電火花が適切なタイミングで噴霧燃料に対して発生されることで噴霧燃料に対する確実な着火が保証される。また、直噴エンジンで可燃混合気が点火プラグ１９周りに存在するタイミングがばらつく場合でも、着火に必要な放電エネルギ密度が満足されることで、理論空燃比より極めてリーン側の燃焼を安定して実現でき、更なる燃費向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンを示す概略構成図である。
【図２】 図２は図１の点火プラグの先端形状を示す拡大図である。
【図３】 図３は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置で使用されているＥＣＵにおける直噴エンジンに対する燃料噴射・点火時期制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】 図４は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置で用いられる機関回転数とアクセル開度とに基づき成層燃焼運転領域または均質燃焼運転領域にあるかを判定するためのマップである。
【図５】 図５は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで成層燃焼運転時の点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図６】 図６は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで成層燃焼運転時の点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態の変形例を示すタイムチャートである。
【図７】 図７は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで多重放電適用範囲における放電期間の長さを機関回転数及び要求トルクをパラメータとして示す特性図である。
【図８】 図８は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで多重放電適用範囲における間欠期間の長さを機関回転数及び要求トルクをパラメータとして示す特性図である。
【図９】 図９は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで成層燃焼運転時の点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態の他の変形例を示すタイムチャートである。
【図１０】 図１０は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで均質燃焼運転領域における単発放電時で点火プラグの火花ギャップを適切に設定したときの点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図１１】 図１１は図１０に対して点火プラグの火花ギャップを広くしたときの点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図１２】 図１２は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで成層燃焼運転領域における多重放電時で点火プラグの火花ギャップを適切に設定したときの点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図１３】 図１３は図１２に対して点火プラグの火花ギャップを広くしたときの点火信号、２次電圧、２次電流及び放電エネルギ密度の遷移状態を示すタイムチャートである。
【図１４】 図１４は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグの火花ギャップと放電エネルギ密度変化量との関係を示す特性図である。
【図１５】 図１５は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグの火花ギャップと放電維持期間との関係を示す特性図である。
【図１６】 図１６は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグの火花ギャップと有効放電維持回数との関係を示す特性図である。
【図１７】 図１７は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグの火花ギャップと着火に必要な単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度との関係を示す特性図である。
【図１８】 図１８は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグにおける着火達成領域を中心電極径と火花ギャップとをパラメータとして示す特性図である。
【図１９】 図１９は本発明の実施の形態の一実施例にかかる火花点火装置が適用された直噴エンジンで使用される点火プラグにおける着火に必要な放電エネルギ密度達成領域を中心電極径と火花ギャップとをパラメータとして示す特性図である。
【図２０】 図２０は一般的な直噴エンジンで成層燃焼運転における成層混合気の時間的な移動を示す説明図である。
【図２１】 図２１は図２０の直噴エンジンの点火プラグの火花ギャップにおける混合気濃度と時間との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０ 直噴エンジン
１９ 点火プラグ
１９ａ 中心電極
２５ 点火コイル
３０ ＥＣＵ（電子制御ユニット）（点火制御手段）
Ｇ 火花ギャップ
Claims (11)
- 各気筒内に燃料を直接噴射する直噴エンジンにおける火花点火装置であって、
前記直噴エンジンの各気筒毎に取付けられた点火プラグと、前記点火プラグに点火時期に高電圧を印加し放電火花を発生させる点火コイルと、前記点火コイルによる高電圧の印加を短時間に断続的に複数回行うことが可能で、多重放電と単発放電との切替、多重放電の開始から終了までの総放電期間、各放電期間、各間欠期間を前記直噴エンジンの運転条件毎に予め設定されたマップに基づき算出する点火制御手段とを具備し、
前記点火制御手段は、少なくとも成層燃焼運転条件における一部または全部では前記点火プラグを多重放電させ、かつ、前記多重放電の総放電期間中の各放電期間における放電エネルギ密度が所定量となるように設定し、前記多重放電の各間欠期間は、徐々に長くなるよう設定することを特徴とする火花点火装置。 - 各気筒内に燃料を直接噴射する直噴エンジンにおける火花点火装置であって、前記直噴エンジンの各気筒毎に取付けられた点火プラグと、前記点火プラグに点火時期に高電圧を印加し放電火花を発生させる点火コイルと、前記点火コイルによる高電圧の印加を短時間に断続的に複数回行うことが可能で、多重放電と単発放電との切替、多重放電の開始から終了までの総放電期間、各放電期間、各間欠期間を前記直噴エンジンの運転条件毎に予め設定されたマップに基づき算出する点火制御手段とを具備し、
前記点火制御手段は、少なくとも成層燃焼運転条件における一部または全部では前記点火プラグを多重放電させ、かつ、前記多重放電の総放電期間中の各放電期間における放電エネルギ密度が所定量となるように設定することを特徴とする火花点火装置。 - 前記多重放電の総放電期間中の各放電期間における所定量の放電エネルギ密度は、１８〔ｍＪ／ｍｓ：ミリジュール／ミリ秒〕以上となるよう設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の火花点火装置。
- 前記多重放電の総放電期間は、１．０〜３．０〔ｍｓ：ミリ秒〕の範囲に設定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の火花点火装置。
- 前記多重放電の各放電期間は、０．０５〜０．５〔ｍｓ〕の範囲に設定することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の火花点火装置。
- 前記多重放電の各間欠期間は、０．１〜１．０〔ｍｓ〕の範囲に設定することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載の火花点火装置。
- 前記点火制御手段は、前記点火コイルの１次電流を通電／遮断して多重放電を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の火花点火装置。
- 前記多重放電は、放電が持続していても放電エネルギ密度が１８〔ｍＪ／ｍｓ〕未満となった時点で前記多重放電の間欠期間と見做すことを特徴とする請求項７に記載の火花点火装置。
- 前記多重放電の総放電期間中の各放電期間における前記点火プラグの火花ギャップの単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度は、２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ：ミリジュール／ミリ秒／ミリメートル〕以上となるよう設定することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１つに記載の火花点火装置。
- 前記点火プラグは、中心電極の直径を１．１〔ｍｍ：ミリメートル〕以下、その火花ギャップを０．４〜１．２〔ｍｍ〕の範囲に設定することを特徴とする請求項９に記載の火花点火装置。
- 前記点火プラグの火花ギャップの単位ギャップ長当たりの放電エネルギ密度は、前記多重放電の各放電期間に対して８０〔％〕以上で２２．５〔ｍＪ／ｍｓ／ｍｍ〕以上となるよう設定することを特徴とする請求項９に記載の火花点火装置。
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