JP5289213B2 - 火花点火式内燃機関の運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、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運転制御方法に関するものである。

従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火にあって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。

このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献１に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく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構成したものが知られている。

特開２００７−３２３４９号公報

ところで、特許文献１に記載のものでは、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うので、着火性が向上することにより、安定した火炎が得られる反面、混合気の空燃比がリッチである場合には、過剰な燃焼状態になることもある。つまり、混合気中の燃料が多くなると、その燃料がプラズマ雰囲気中のアーク放電により燃焼することで、燃料が少ない場合に比較して燃焼ガスの温度が上昇することがある。

しかしながら、燃焼ガスの温度が上昇すると、上昇した温度により点火プラグの電極温度も通常の運転状態の場合より上昇することになる。そのような状態で、アーク放電を繰り返すと、アーク放電により点火プラグの電極が損傷を受けることがある。そのような損傷が高じた場合、点火プラグの電極が変形する可能性も生じた。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関の運転制御方法は、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運転制御方法であって、燃焼室内の電界を生成する点火プラグの電極近傍の領域を燃焼室内の他の領域よりも空気の希薄な混合気にすることを特徴とする。

このような構成によれば、電界が生成される領域は、空気が希薄な混合気が満たされるので、電界と火花放電とを反応させて生成したプラズマにより火花放電が増幅されても燃焼は緩慢になる。したがって、燃焼が過剰に良好になることを抑制することが可能になる。

以上の構成において、空気の希薄な混合気は例えば、排気ガスの還流により形成するものが挙げられる。特に、排気ガス還流管路を通じて還流する排気ガスを点火プラグの電極近傍に集中させることで、燃焼室内の電界を生成する領域に空気の希薄な混合気を形成することが考えられる。

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。

本発明は、以上説明したような構成であり、電界が生成される領域は、空気が希薄な混合気が満たされるので、電界と火花放電とを反応させて生成したプラズマにより火花放電が増幅されても燃焼を緩慢にさせることができ、燃焼が過剰に良好になることを抑制することができる。

本発明の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気筒の構成を代表して概略的に示したエンジン１００は、自動車用の火花点火式４サイクル４気筒のもので、その吸気系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、その下流側にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、その燃料噴射弁５を、電子制御装置６により制御するようにしている。燃焼室３０を形成するシリンダヘッド３１には、二つの吸気弁３２及び二つの排気弁３３が配設されるとともに、火花を発生するとともにイオン電流Ｉを検出するための電極となる点火プラグ１８が取り付けてある。また排気系２０には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ２１が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された触媒装置である三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。

点火プラグ１８には、イオン電流Ｉを測定するためのバイアス用電源２４が接続され、入力インターフェース９とこのバイアス電源２４との間にはイオン電流測定用回路２５が接続されている。点火プラグ１８、バイアス用電源２４及びイオン電流測定用回路２５によりイオン電流検出系４０が構成される。バイアス用電源２４は、プラズマを生成する時に点火プラグ１８にイオン電流測定のための測定用電圧（バイアス電圧）を印加するものである。そして、測定用電圧の印加により、燃焼室３０の内壁と点火プラグ１８の中心電極との間、及び点火プラグ１８の電極間に流れたイオン電流Ｉは、イオン電流測定用回路２５により測定される。このようなバイアス用電源２４とイオン電流測定用回路２５とは、当該分野でよく知られている種々のものを適用することができる。

このようなイオン電流検出系４０に加えて、燃焼室３０内にプラズマを生成するために、点火プラグ１８の中心電極には、電磁波例えばマイクロ波が供給される。マイクロ波は、マグネトロン５０とマグネトロン５０を制御する制御回路５１とを備えてなる電界生成手段であるマイクロ波発生装置５２から出力される。制御回路５１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ｋが入力される構成である。マイクロ波を点火プラグ１８まで伝送する伝送経路５３については、よく知られたものを用いることができ、例えばマグネトロン５０に電気的に接続される導波管と、その導波管と点火プラグ１８の中心電極とを電気的に接続する同軸ケーブル及び同軸分配器とで構成される。したがって、中心電極がマイクロ波を放射するアンテナとして機能する。制御回路５１は、入力されるマイクロ波発生信号ｋに基づいてマグネトロン５０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。この実施形態においては、マグネトロン５０は、一定出力のマイクロ波を出力するように設定してある。

以上の構成に加えて、エンジン１００は、気筒毎に排気ガス還流装置６０を備えている。それぞれの排気ガス還流装置６０は、吸気ポート３４に連通するように一方の端部が接続される排気ガス還流管路６１と、その排気ガス還流管路６１に設けられて排気ガス還流管路６１を通過する排気ガスの流量を制御する排気ガス還流制御弁６２とを備えて構成される。排気ガス還流管路６１の他方の端部は、排気系２０を構成する排気マニホルド２３に接続される。排気ガス還流装置６０は、排気ガス還流制御弁６２が制御されるつまり開かれると、排気ガスが排気ガス還流制御弁６２の開度に応じた流量で排気ガス還流管路６１を通過して、吸気ポート３４内に還流させるものである。還流される排気ガスの流量は、排気ガス還流制御弁６２の開度に依存するもので、排気ガス還流制御弁６２の開度の制御は、電子制御装置６により行われる。この実施形態にあっては、それぞれの排気ガス還流制御弁６２は、気筒毎に燃焼状態が異なる場合は個別に制御されるものであり、それ以外は全てが同一に制御されるものである。

エンジン１００はさらに、バルブ可変機構６３を備えている。バルブ可変機構６３は例えば、吸気弁３２のバルブタイミング及びバルブリフト量を、それぞれの吸気弁３２に対して独立に制御するものである。それぞれの吸気弁３２のバルブタイミング及びバルブリフト量を独立に制御することにより、点火プラグ１８の電極近傍に、空気の希薄な混合気をエンジン１００の運転状態に応じて選択的に形成するものである。

電子制御装置６は、中央演算処理装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１と、Ａ／Ｄコンバータ１０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。入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、エンジン１００の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ１４から出力される気筒判別信号Ｇ１とクランク角度基準位置信号Ｇ２とエンジン回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ１５から出力される車速信号ｃ、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１６から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｅ、上記したＯ₂ センサ２１から出力される電流信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、点火プラグ１８に対してイグニションパルスｇが、それぞれの排気ガス還流制御弁６２に対して弁開度信号ｍがそれぞれ出力されるようになっている。

以上の構成において、電子制御装置６には、吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａとカムポジションセンサ１４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（基本噴射量）を補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間Ｔ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。また、このようにエンジン１００の燃料噴射を制御する一方、電子制御装置６は、燃焼室内の電界を生成する領域を空気の希薄な混合気にするように、排気ガス還流装置６０及び可変バルブ機構６３を制御する制御プログラムが内蔵してある。

このエンジン１００にあっては、通常の運転状態ではマイクロ波発生装置５２が発生するマイクロ波を出力時期に合わせて点火プラグ１８の中心電極から燃焼室３０内に放射し、それにより生成される電界と点火プラグ１８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、マイクロ波が中心電極に印加されることにより、燃焼室３０内には、点火プラグ１８による火花放電に対して電界が形成される。したがって、点火プラグ１８及びマイクロ波発生装置５２は、電界生成手段を構成するものである。

点火に際しては、点火プラグ１８に点火コイル（図示しない）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、火花放電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３０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１８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３０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１８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３０内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

以上のような混合気の着火制御によりエンジン１００を運転している間に、各気筒において混合気の燃焼時つまり燃焼行程において燃焼室３０に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいて各気筒の燃焼状態を検出して、燃焼状態が過剰に良好である場合に、燃焼室３０内の電界を生成する領域を吸気の希薄な混合気にするように、排気ガス還流装置６０及び可変バルブ機構６３を制御するものである。次に、図２に示すフローチャートにより、この実施形態を説明する。

図２において、ステップＳ１において、各気筒のイオン電流を検出する。イオン電流は、燃焼の開始直後に点火プラグ１８の中心電極により検出されるもので、燃焼状態が良好であると、ピストンが上死点に達した直後の時間に最大電流値となり、その後は減少するものである。したがって、イオン電流のこのような特性を検出して、燃焼状態を把握することができる。

ステップＳ２では、検出したイオン電流が、所定の電流値を上回っているか否かを判定する。所定の電流値は、プラズマが多くのラジカルを含むこと、あるいは高負荷での運転が連続して燃焼ガスの温度が上昇することなどで、過剰に良好となる燃焼状態を判定し得る値に、適合により設定する。過剰に良好な燃焼状態とは、燃焼ガスの温度が高温となり点火プラグ１８の電極に損傷を与える可能性がある燃焼状態である。

ステップＳ２において、検出したイオン電流が所定の電流値以下である場合は、この制御を終了する。一方、検出したイオン電流が所定の電流値を上回っている場合は、ステップＳ３において、可変バルブ機構６３を制御して、電界を生成する領域を空気の希薄な混合気にする。具体的には、排気ガス還流装置６０の排気ガス還流制御弁６２を開いておき、可変バルブ機構６３を制御して、二つの吸気弁３２を開くバルブタイミング及びバルブリフトを個別に制御して異ならせ、燃焼室３０内にスワールを発生させる。つまり、一方の吸気弁３２側から還流した排気ガスを吸入し、他方の吸気弁３２側から新気を吸入する。このようにして、スワールが発生することにより、排気ガス還流管路６１からの排気ガスが、燃焼室３０の中央に集中し、その周囲に新鮮な吸入空気が取り囲むようになる。このため、燃焼室３０の中央すなわち点火プラグ１８の電極近傍に還流された排気ガスが集中し、その結果、空気の希薄な混合気が電界を生成する領域に形成されるものである。

以上の構成において、エンジン１００の運転が継続され、例えば高負荷の運転状態が続くことで燃焼が安定し、燃焼状態が過剰に良好になる場合がある。この場合に、イオン電流により気筒別にそのような燃焼状態を検出して、電界したがってプラズマの生成状態を制御するものである。

このような燃焼室３０内の混合気の状態において、電界と火花放電とを反応させてプラズマを生成すると、空気が希薄であるのでラジカルの成長が促進されず、燃焼状態が低下する。したがって、点火プラグ１８やピストン３５が損傷を被ることを抑制することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態においては、燃焼状態をイオン電流の電流値により判定したが、検出したイオン電流が閾値を上回っている期間の時間あるいはクランク角度により判定するものや、イオン電流の測定を開始した後の所定期間内におけるイオン電流値の積分値により検出するものなどであってもよい。このような、イオン電流の特性から燃焼状態をイオン電流似より判定することは、この分野で知られている方法を用いるものであってよい。

また、燃焼状態を検出するものとしては、それぞれの気筒に圧力センサを取り付け、各気筒における燃焼行程の気筒内圧力が設定された判定圧力以上となるか否かを判定して行うものであってよい。すなわち良好な燃焼状態の気筒にあっては、気筒内圧力が高くなるので、判定圧力以上となった気筒を、過剰に燃焼状態が良好な気筒として判定することができる。

加えて、マイクロ波を放射するアンテナとしては、点火プラグ１８の中心電極を用いる以外に、内部に誘電体が充填されて密封されたホーン型アンテナや、燃焼室３０内に突き出して設けられるモノポール型アンテナなどを用いるものであってよい。

点火プラグ１８の中心電極をアンテナとして機能させて、高周波給電部とする場合、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。

マイクロ波発生装置としては、上述のようなマグネトロンに代えて、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。

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１８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７０は、例えば３００ＭＨｚの電磁波を発振する送信機７１と、送信機７１の出力端に同軸ケーブル７２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）７３と、マッチングチューナ７３の出力端に不平衡ケーブル７４で接続されるとともにイグナイタ７５にも接続されるミキサ７６とを備えている。この例にあっては、点火プラグ１８の中心電極１８ａ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７６は、マッチングチューナ７３を介して送信機７１が出力する電磁波を点火プラグ１８の中心電極１８ａに印加するとともに、イグナイタ７５からの点火信号を中心電極１８ａに印加する。ミキサ７６は、送信機７１からの電磁波とイグナイタ７５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７１からの電磁波により、電界を生成する領域となる中心電極１８ａと接地電極１８ｂとの間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極１８ａと接地電極１８ｂ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８０は、車両用のバッテリ８１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８２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８３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８０において、例えば点火プラグ１８の中心電極１８ａと接地電極１８ｂ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７４とイグナイタと点火プラグ１８との間にはミキサが配置される。そして、中心電極１８ａと接地電極１８ｂ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１８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１８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１８ａと接地電極１８ｂとで構成するものの場合に、接地電極１８ｂ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１８の中心電極１８ａと接地電極１８ｂとを使用する以外に、点火プラグ１８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１８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。

本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。

６…電子制御装置
７…中央演算処理装置
８…記憶装置
９…入力インターフェース
１１…出力インターフェースと、
５０…マグネトロン
５１…制御回路
５２…高圧交流発生装置
１８…点火プラグ
３０…燃焼室
６０…排気ガス還流装置

Claims (2)

1. 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運転制御方法であって、
   燃焼室内の電界を生成する点火プラグの電極近傍の領域を燃焼室内の他の領域よりも空気の希薄な混合気にする火花点火式内燃機関の運転制御方法。
2. 排気ガス還流管路を通じて還流する排気ガスを点火プラグの電極近傍に集中させることで、燃焼室内の電界を生成する領域に空気の希薄な混合気を形成する請求項１記載の火花点火式内燃機関の運転制御方法。

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