JP5208062B2 - 火花点火式内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両、特には自動車に搭載する火花点火式内燃機関の制御方法に関するものである。

火花点火式内燃機関において、従来よりも高い電圧を印加することなく点火プラグに火花放電させて燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるようにするため、点火プラグの中心電極周辺の放電領域にプラズマを発生させ、放電領域のプラズマ雰囲気にアーク放電することにより混合気の着火可能領域を拡大させるように制御されたものが知られている（例えば、特許文献１）。

ところで、従来、内燃機関つまりエンジンでは、自動車の排気ガスに含まれる排気ガス規制物質を低減することが求められており、空燃比制御と触媒とによる浄化作用を利用して、排気ガス規制物質を低減している。しかし、触媒の作用が有効となるのは触媒の温度が一定以上になって触媒が活性化してからであり、エンジン始動直後の触媒が冷えている状態では、排気ガス規制物質がそのまま排出されてしまう。このような不具合を解決するために、始動直後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で触媒の温度上昇を促進させ、触媒を早期に活性化する内燃機関の制御が知られている（例えば、特許文献２）。

特開２００７‐０３２３４９号公報 特開２００８‐１８０１８４号公報

ところで、上述した前者にあっては、プラズマ雰囲気にアーク放電を行って燃焼室内の混合気に着火する場合には、プラズマ雰囲気により燃焼が改善されるため、排気ガス温度がプラズマを使用しない点火方式のエンジンに比較して低い。このため、例えば冬季などの冷間始動時にあっては、触媒が機能する温度となるまでに長時間を費やすことになり、排気ガスの浄化が不十分となる、といった不具合が生じた。

そこで本発明は上記のような課題に着目したものであり、電界と火花点火とを反応させプラズマを生成して混合気に着火することにより、燃焼を改善することができる火花点火式内燃機関において、触媒を早期に活性化するように火花点火式内燃機関を制御することを目的とする。

以上のような課題を解決するためになされた本発明に係る内燃機関の制御方法は、燃焼室内に放電により火花を生成する点火プラグと、排気ガスを浄化する触媒とを備える火花点火式内燃機関において、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着火し、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着火することを特徴とする。

つまり、触媒が活性化するまでの間はプラズマがない状態において火花着火し、プラズマによる燃焼改善よりも排気ガス温度の上昇を優先させるように内燃機関を制御する。このようなものであれば、排気ガス温度の上昇により触媒の温度上昇を促進し、触媒の活性化を加速して早期に触媒を活性させる。また、触媒が活性化した後は、燃焼室内に生成される電界と火花放電と反応させて燃焼室内にプラズマを生成して混合気に着火するよう制御することにより、点火プラグのみによる火花着火の場合と比べて燃焼状態を改善し、排気ガスの浄化を促進させる。

上述した、電界を生成させる電界生成手段としては、各種の周波数の電磁波を発生させる電磁波発生装置、燃焼室内に配置される一対の電極に交流電圧を印加する交流電圧発生装置、及び同じく一対の電極に脈流電圧を印加する脈流電圧発生装置などが挙げられる。

電磁波発生装置が発生する電磁波としては、マイクロ波、各種無線通信例えばアマチュア無線において使用される周波数を含む高周波、及びマイクロ波より波長の短いレーザなどが挙げられる。なお、レーザの場合は、他の電磁波発生装置とは構成の異なるレーザ発振装置を使用する。

交流電圧発生装置が出力する交流電圧は、上述の高周波と等しい周波数のものである。

脈流電圧発生装置は、周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その直流電圧の波形は任意であってよい。すなわち、本願における脈流電圧は、０ボルトを含む基準となる電圧から、一定周期で一定電圧まで変化するパルス電圧や、一定周期で順次増減する電圧まで変化する、例えば交流電圧を半波整流したような波形の直流電圧、さらには交流に直流バイアスをかけた直流電圧などを含むものである。この場合において、一定周期は、上述の高周波における周波数に対応するものであってよい。なお、波形は、上述したものに限定されるものではなく、正弦波、鋸歯状波、三角波などであってもよい。

本発明によれば、火花放電のみにより混合気に着火することにより、プラズマを生成して混合気に着火する場合の燃焼温度に比較して燃焼温度を高くして、触媒の活性化を加速させることができ、触媒の活性後はプラズマにより燃焼状態を改善することで冷間始動時であっても早期に排気ガスを浄化することができる。

本発明の一実施形態の概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の制御手順の概略を示すフローチャート。 本発明の実施形態において使用できる電磁波発生装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態において使用できる交流電圧発生装置の構成を示すブロック図。 図４におけるＨブリッジ回路の一例を示す回路図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に１気筒の構成を概略的に示したエンジン１００は、自動車用の３気筒のものである。エンジン１００の吸気系１には、図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、そのスロットルバルブ２の下流にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３が連通するシリンダヘッド４側の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、この燃料噴射弁５を電子制御装置６により制御するようにしている。そして、燃焼室７の天井部分には、点火プラグ８及び電界を生成するためのアンテナ９が取り付けてある。この実施形態におけるアンテナ９は、ホーン型アンテナで、燃焼室７の天井の点火プラグ８の近傍位置に取り付けられている。点火プラグ８には、イグナイタを一体に備える点火コイル１０が交換可能に取り付けられている。アンテナ９は、ホーン形状をしており、燃焼室７に面する先端部分はセラミックスなどの誘電体２７により塞がれており、電界生成手段であるマイクロ波発生装置１１に図示しない導波管を介して接続されている。また、排気系１２には、図示しないマフラに至るまでの管路に三元触媒（以下、触媒１３と称する）が配設され、その上流にはＯ₂センサ１４が取り付けられている。

マイクロ波発生装置１１は、マグネトロン１５とマグネトロン１５を制御する制御回路１６とを備えてなる。マグネトロン１５が出力するマイクロ波は、導波管によりアンテナ９に印加される。又、制御回路１６には、電子制御装置６から出力されるマイクロ波発生信号ｎが入力される構成で、制御回路１６は、入力されるマイクロ波発生信号ｎに基づいてマグネトロン１５が出力するマイクロ波の出力時期及び出力電力を制御するものである。

電子制御装置６は、中央演算処理装置１８と、記憶装置１９と、入力インターフェース２０と、出力インターフェース２１とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。中央演算処理装置１８は、記憶装置１９に格納された後述のプログラムを実行して、エンジン１００の運転制御を行うものである。

そしてエンジン１００の運転制御を行うために必要な情報が入力インターフェース２０を介して中央演算処理装置１８に入力されるとともに、中央演算処理装置１８は出力インターフェース２１を介して制御のための信号を燃料噴射弁５などに出力する。具体的には、入力インターフェース２０には、サージタンク３内の吸入空気の圧力を検出するための吸気圧センサ２２から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出するための回転数センサ２３から出力される回転数信号ｂ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ２４から出力されるＩＤＬ信号ｃ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ２５から出力される水温信号ｄ、エンジン１００が吸入する新気の温度を検出するための吸気温センサ２６から出力される吸気温信号ｅ、燃焼室７から排気弁を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を検出するためのＯ₂センサ１４から出力される電圧信号ｇなどが入力される。一方、出力インターフェース２１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｐ、イグナイタに対して点火信号ｍ及びマイクロ波発生装置１１に対してマイクロ波発生信号ｎなどが出力されるようになっている。

電子制御装置６には、吸気圧センサ２２から出力される吸気圧信号ａと回転数センサ２３から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間を補正して燃料噴射弁５の開成時間、すなわちインジェクタ最終通電時間を決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を該燃料噴射弁５から吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。

このエンジン１００にあっては、暖機後の通常運転状態ではマイクロ波発生装置１１が発生するマイクロ波を制御回路１６により制御された出力時期に合わせてアンテナ９から燃焼室７内に放射し、それにより生成される電界と点火プラグ８による火花放電とを反応させてプラズマを生成して、混合気に着火するように構成されている。プラズマを生成する場合、マイクロ波がアンテナ９に印加されることにより、燃焼室７内には、点火プラグ８による火花放電に対して直交する方向に電界が形成される。

このように、点火に際しては、点火プラグ８に点火コイル１０により火花放電を発生させて、火花放電開始とほぼ同時あるいは火花放電開始直後あるいは火花放電開始直前にマイクロ波により電界を発生させ、火花点火と電界とを反応させてプラズマを生成させることにより、燃焼室７内の混合気を急速に燃焼させる構成である。なお、火花放電開始直後とは、遅くとも火花放電を構成する誘導放電の開始時が好ましい。

具体的には、点火プラグ８による火花放電が電界中でプラズマになり、当該プラズマにて混合気に着火を行うことで火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核が火花放電のみの点火に比べて大きくなるとともに燃焼室７内に大量のラジカルが発生することで燃焼が促進される。

これは、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核も大きくなるものである。

この結果、火花放電と電界とが反応し発生したプラズマにより混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ８のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室７内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

これに対して、始動時にあっては、以下に説明するように、点火プラグ８による火花放電のみの着火とプラズマを発生させての着火とを、触媒の状態に応じて選択的に実施する構成である。このため、電子制御装置６には、触媒１３が活性化するまでの間は点火プラグ８による火花放電により燃焼室７内にプラズマがない状態で混合気に着火し、触媒１３が活性化した後は燃焼室７内に生成されるプラズマを生成して混合気に着火するエンジン１００の制御プログラムが格納してある。

以下、この内燃機関１００の制御の概略手順を、図２に示すフローチャートにより説明する。この内燃機関１００の制御プログラムは各気筒の点火毎に、またエンジン１００が始動後にアイドル運転されている際に実行されるものである。したがって、アクセルペダルが操作された場合、つまりスロットルバルブ２が開かれた場合には終了するものである。

ステップＳ１では、点火プラグ８による火花放電により混合気に着火する。具体的には、点火信号ｍを出力インターフェース２１からイグナイタへと出力することにより、点火プラグ８の中心電極と接地電極との間に火花放電を発生させて、混合気に着火する。この場合、触媒１３の温度を早期に上昇させるべく、点火時期は、例えばアイドル運転状態に
おける点火時期を基準とした場合に、その点火時期よりも一律に同一の遅角量により大きく遅角させる。このように点火時期を遅角することにより、燃焼が排気行程の開始時期の近くまで続き、触媒１３に到達する排気ガスの温度が、点火時期を進角している場合に比べて高くなる。したがって、冷間時にエンジン１００を始動する場合においても、触媒１３を早期に活性化に必要な温度にまで昇温させることができる。

次に、ステップＳ２では、始動後の経過時間に基づいて触媒１３が活性化したか否かを判定する。始動後の経過時間は、始動つまりイグニッションオンから計時される時間と外気温とに基づいて設定されるもので、外気温が低いほど長く設定してある。外気温は、吸気温度やエンジン温度（冷却水温、潤滑油温度を含む）により検出するものであってよい。

ステップＳ２において触媒１３が活性化していないと判定すると、ステップＳ１へと戻る。

ステップＳ２において触媒１３が活性化したと判定すると、燃焼室７内に生成されるプラズマと火花とを反応させて混合気に着火する（ステップＳ３）。このステップＳ３では、マイクロ波発生信号ｎを出力インターフェース２１からマイクロ波発生装置１１へと出力することにより、アンテナ９を介して電界を燃焼室７内に発生させる。この電界は火花放電に対して垂直に生成され、電界と火花放電とが反応することにより点火プラグ８の火花放電部位を含むその周辺領域にプラズマが生成されて、混合気に着火される。

このような構成において、火花放電のみによる燃焼にあっては、プラズマを用いた場合と比べて燃焼温度が高いことから、排気ガス温度が上昇して触媒１３を加熱する。その結果、触媒１３の温度上昇が促進され、触媒１３が早期に活性化される。これにより、触媒１３の温度を触媒１３の作用が有効となる一定の温度となるまでの時間を短縮することができ、活性化された触媒１３により排気ガスに含まれる未燃焼炭化水素などの排気ガス規制物質量を低減することができる。

そして、触媒１３を活性化した後は、点火プラグ８の火花放電をプラズマと反応させて混合気に着火することにより、燃焼を良好にすることができ、触媒１３の活性化と相乗して排気ガスの浄化をより促進させることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。

本実施形態のステップＳ２では、触媒が活性化したか否かの判定を経過時間に基づいて行っていたが、エンジンの温度すなわち吸気温、冷却水温、潤滑油温度や負荷から推定して判定を行ってもよい。さらに、排気ガス温度を測定するための排気温センサ２８を触媒１３の下流側に設けている場合には、排気温センサ２８によって得られる排気温度を用いて触媒温度を推定するものであってもよい。

マイクロ波発生装置におけるマイクロ波発生源としては、上述のようなマグネトロン以外に、進行波管などであってよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。

また、本実施形態においては、マイクロ波によりプラズマを生成するためのアンテナとして燃焼室に面している先端部が誘電体により塞がれているホーン型アンテナを用いたが、そのアンテナ自体がセラミックスなどの誘電体からできているものであってもよい。さらに、ホーン型アンテナの代わりとして、例えば逆Ｌ字型アンテナ等のモノポール型アンテナやビーム型のアンテナを燃焼室の天井に取り付けてもよい。本実施形態におけるアンテナとしてモノポール型アンテナ等を使用する場合には、燃焼室に面している先端部分の
耐熱性を考慮して、アンテナをタングステン等の耐熱性の高いものにするか、またはアンテナを誘電体で被覆する等して使用することが考えられる。

さらには、点火プラグの中心電極をアンテナとして機能させて、高周波供電部とするものであってもよい。この場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。

一方、電磁波発生装置における電磁波の周波数についてはマイクロ波の周波数帯に限られるものではなく、点火プラグ８の火花放電部分に電界を生成しプラズマを生成させることが可能な周波数であればよい。したがって、電磁波発生装置としては、例えば図３に示すような構成のものが好適である。

図３に示す電磁波発生装置３０は、例えば３００ＭＨｚの電磁波を発振する送信機３１と、送信機３１の出力端に同軸ケーブル３２で接続されるマッチングチューナ（又はアンテナチューナ）３３と、マッチングチューナ３３の出力端に不平衡ケーブル３４で接続されるとともにイグナイタ３５にも接続されるミキサ３６とを備えている。この例にあっては、点火プラグ８の中心電極８ａが電磁波を放射するアンテナとして機能するもので、したがって、ミキサ３６は、マッチングチューナ３３を介して送信機３１が出力する電磁波を点火プラグ８の中心電極８ａに印加するとともに、イグナイタ３５からの点火信号を中心電極８ａに印加する。ミキサ３６は、送信機３１からの電磁波とイグナイタ３５からの点火信号を混合するものである。

この例では、送信機３１からの電磁波により、中心電極８ａと接地電極８ｂとの間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極８ａと接地電極８ｂとの間に発生する火花放電とが反応してプラズマが生成され、混合気に着火するものである。

また、電磁波発生装置としては、レーザ発振装置が挙げられる。レーザ発振装置は、レーザダイオードと、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）とシリンドリカルレンズを含むレンズアセンブリとを組み合わせたものが使用できる。レーザ発振装置から出力されるレーザは、光ファイバを介して燃焼室に送られる。この場合、光ファイバは、点火プラグのハウジングの中を通過してその先端が中心電極と接地電極との間隙に向けて取り付けられる。レーザは、火花放電に先立って、火花放電が生じる位置に照射されるのが好ましい。

光ファイバから射出されるレーザは、前述の間隙に集中して、間隙近傍に電界を集中させる。したがって、レーザの指向性により電界を所期の位置に生成することができ、プラズマを混合気の着火に最も好適な位置に生成することができる。

以上に説明した電磁波発生装置に代えて、交流電圧発生装置を使用するものであってもよい。図４に示す交流電圧発生装置４０は、車両用のバッテリ４１の電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ−ＤＣコンバータ４２にて３００〜５００Ｖに昇圧し、その後、図５に例示するＨブリッジ回路４３にて周波数が約１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚ、好ましくは１００ＭＨｚの交流に変化させ、さらに昇圧トランス４４により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧する構成である。

このような交流電圧発生装置４０において、例えば点火プラグ８の中心電極８ａと接地電極８ｂとを、電界を生成するための一対の電極とする場合、上述の電磁波発生装置３０と同様に、交流電圧の出力端部となる昇圧トランス４４とイグナイタと点火プラグ８との間にはミキサが配置される。そして、中心電極８ａと接地電極８ｂとの間に高圧の交流電圧を印加することで、放電域である点火プラグ８の間隙に上記周波数帯であって極性が交互に入れ替わる電界が生成される。したがって、生成された電界と火花放電とが反応してプラズマが点火プラグ８周辺に生成され、混合気を着火するものである。なお、この一対の電極を中心電極８ａと接地電極８ｂとで構成するものの場合に、接地電極８ｂに代えて、シリンダヘッド、シリンダブロックあるいはピストンで代用するものであってもよい。

一対の電極は、上述した点火プラグ８の中心電極８ａと接地電極８ｂとを使用する以外に、点火プラグ８を挟む位置に電極を配置する構成でもよい。すなわち、所定の距離離して、対向して一対の電極を配置する。この場合に、点火プラグ８がその電極間に位置するように、一対の電極は配置する。この場合においても、電極の一方を、接地電極、シリンダヘッド、シリンダブロックあるいはピストンで代用するものであってもよい。

なお、このような交流電圧発生装置に代えて、脈流発生装置を使用するものであってもよい。つまり、一対の電極間に交流を印加する代わりに、パルス電圧などの脈流電圧を印加することにより、一対の電極間に電界を生成するものである。脈流発生装置は、交流電圧発生装置と同様に、バッテリから供給される直流をＤＣ？ＤＣコンバータで昇圧し、高圧の直流を所定周期で断続することにより脈流とし、その脈流を昇圧トランスにより昇圧して一対の電極に印加する構成である。脈流発生装置の場合、Ｈブリッジ回路に代えて周期的にオン・オフするスイッチング回路を用いる。このような脈流発生回路を使用することによっても、一対の電極間に電界を生成することができ、上述の実施形態同様の効果を得ることができる。

その他各部の具体的構成についても上記実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１００…エンジン
８…点火プラグ
１３…触媒

Claims (1)

1. 燃焼室内に放電により火花を生成する点火プラグと、排気ガスを浄化する触媒とを備える火花点火式内燃機関において、
   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着火し、
   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着火する火花点火式内燃機関の制御方法。

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