JP5316056B2

JP5316056B2 - プラズマ点火装置を備える内燃機関

Info

Publication number: JP5316056B2
Application number: JP2009033067A
Authority: JP
Inventors: 辰夫小林; 徳士黒仁田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: JP2010190061A

Description

本発明は、プラズマ点火装置を備える内燃機関に関する。

内燃機関において、点火装置により気筒内全体の均質混合気又は気筒内の一部に存在する成層混合気を確実に着火させなければならない。しかしながら、点火ギャップに火花を発生させる一般的な点火装置は、混合気の一点を着火させるものであり、それほど高い着火能力を有してはいない。

着火能力に優れた点火装置として、プラズマジェットを噴射するプラズマ点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。プラズマ点火装置は、絶縁体側壁により形成されたチャンバと、チャンバの一端側に配置された中心電極と、チャンバの他端側に配置された接地電極とを具備し、中心電極と接地電極との間に電圧を印加して発生させた放電によってチャンバ内のガスをプラズマ化させ、こうしてチャンバ内の高温高圧のプラズマをプラズマジェットとしてチャンバと気筒内とを連通する噴孔から噴射するものであり、略円柱形状のプラズマジェットに接触する混合気の広範囲部分を同時に着火させることによって、高い着火能力を提供することができる。

特開平０６−０６６２３６特開２００６−０３７８６９特開平０６−０６６２３６特開２００８−１２１４８９特開平０８−２３２８２４特開２０００−０１８１４１特開平０２−２４５４７７

しかしながら、低負荷時又は始動時のように圧縮行程末期の筒内温度が比較的低いと、混合気の着火容易性が低下し、プラズマジェットによっても気筒内の混合気を良好に着火させることができなくなることがある。それにより、混合気の着火容易性が低いほどチャンバ内へ与えるプラズマエネルギを大きくすることによりプラズマジェットの温度を高くし、その着火能力を向上させることが考えられる。しかしながら、プラズマエネルギを大きくし過ぎると、中心電極及び接地電極の消耗を促進させ、また、プラズマジェットの到達距離が長くなり過ぎて、プラズマジェットの先端が点火時期のピストン頂面へ到達して冷却され、混合気の着火に寄与しなくなるために、プラズマジェットの着火能力は反って低下することがある。

従って、本発明の目的は、点火時期における混合気の着火容易性が低い時にも、電極消耗を促進することなく、混合気の良好な着火を実現可能とするプラズマ点火装置を備える内燃機関を提供することである。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、プラズマ点火装置による点火直前に前記プラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気を加熱する加熱手段を具備し、点火時期における混合気の着火容易性が低いほど、前記プラズマ点火装置においてプラズマを発生させるためのプラズマエネルギを徐々に大きくし、プラズマエネルギがプラズマエネルギ上限値を超える時には、プラズマエネルギを前記プラズマエネルギ上限値として前記加熱手段による前記プラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気の加熱を開始し、前記着火容易性が低いほど、前記加熱手段の加熱エネルギを徐々に大きくすることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、前記加熱手段の加熱エネルギが加熱エネルギ上限値を超える時には、加熱エネルギを前記加熱エネルギ上限値として、前記着火容易性が低いほど、前記プラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気の空燃比を理論空燃比へ徐々に近づけることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、プラズマ点火装置による点火直前にプラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気を加熱する加熱手段を具備しているために、点火時期における混合気の着火容易性が低い時にも、プラズマ点火装置においてプラズマを発生させるためのプラズマエネルギを過剰に大きくして、電極消耗を促進したり、プラズマジェットの先端が点火時期のピストン頂面へ到達してプラズマジェットの着火能力を反って低下させたりすることなく、混合気の良好な着火を実現することができる。

また、点火時期における混合気の着火容易性が低いほど、プラズマ点火装置においてプラズマを発生させるためのプラズマエネルギを徐々に大きくし、プラズマエネルギがプラズマエネルギ上限値を超える時には、プラズマエネルギをプラズマエネルギ上限値として加熱手段によるプラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気の加熱を開始し、混合気の着火容易性が低いほど、加熱手段の加熱エネルギを徐々に大きくするようになっている。それにより、電極消耗を促進させることがなく、また、プラズマジェットの先端が点火時期のピストン頂面へ到達してプラズマジェットの着火能力が反って低下することのないプラズマエネルギ上限値までは、点火時期における混合気の着火容易性が低いほど、プラズマエネルギを徐々に大きくしてプラズマジェットの着火能力を向上させ、加熱手段による混合気の加熱より効率的に混合気の良好な着火を実現し、プラズマエネルギがプラズマエネルギ上限値を超える時には、プラズマエネルギをプラズマエネルギ上限値として、加熱手段によるプラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気の加熱を開始して混合気の良好な着火を実現している。

本発明による請求項２に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、加熱手段の加熱エネルギが例えば時間的に定められる加熱エネルギ上限値を超える時には、加熱エネルギを加熱エネルギ上限値として、混合気の着火容易性が低いほど、プラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気の空燃比を理論空燃比へ近づけて着火容易性を向上させることにより、混合気の良好な着火を実現するようになっている。

本発明による内燃機関に取り付けられるプラズマ点火装置を示す概略縦断面図である。本発明による内燃機関の概略縦断面図である。混合気の着火容易性に対して良好な着火を実現するのに必要とされるプラズマ点火装置のプラズマエネルギとの関係を示すグラフである。混合気の良好な着火を実現するために本発明による内燃機関において実施される制御を示すフローチャートである。

図１は本発明による内燃機関に取り付けられるプラズマ点火装置を示す概略縦断面図である。同図において、１は点火装置の軸線方向に延在するように絶縁体２の側壁により形成されてプラズマを生成する円柱状のチャンバであり、３はチャンバ１の基端側に配置された中心電極であり、４はチャンバ１の先端側に配置された接地電極である。５はチャンバ１と気筒内とを連通する噴孔である。６は接地電極４を電気的及び機械的に固定すると共に絶縁体２を覆う金属製のハウジングである。

本実施形態においては、噴孔５は接地電極４に形成されているが、これは本発明を限定するものではなく、絶縁体２とハウジング６とを貫通するように形成することも可能であり、また、接地電極４又は絶縁体２の形状によってはハウジング６だけを貫通するように形成することも可能である。

中心電極３及び接地電極４は、耐熱性と高い導電性とを有する金属、例えば、ステンレス等の鉄系金属、ニッケル系金属、又は、イリジウム系金属又はイリジウム合金とすることができる。中心電極３に対して接地電極４を絶縁するための絶縁体２の材質は、セラミックス（例えばアルミナセラミックス）とすることが好ましい。７は絶縁体２とハウジング６との間の隙間を密閉するための金属ガスケットである。８は中心電極３に電気的及び機械的に接続された導体である。

チャンバ１内のガスをプラズマ化させるには、先ずは、中心電極３と接地電極４との間に高電圧を印加し、絶縁体２の側壁内面上に沿面放電Ｓ１を発生させる。こうして、チャンバ１内の沿面放電近傍のガス（混合気又は既燃ガス）をプラズマ化してイオン及び電子が生成されると、プラズマ化されたガスを通って比較的低い電圧での気中放電が可能となり、次いで、この気中放電Ｓ２を発生させる。

こうして、気中放電Ｓ２によってチャンバ１内のガスの大部分がプラズマ化されると、チャンバ１内のガスは高温高圧となってプラズマジェットとして噴孔５から噴射される。もちろん、沿面放電又は気中放電だけによりチャンバ内のガスをプラズマ化させるようにしても良い。本実施形態において、中心電極３及び接地電極４は、いずれも円筒形状を有し、互いに対向するリング形状面を有しているために、それぞれのリング形状面の外周エッジ及び内周エッジを沿面放電及び気中放電に別々に使用することができ、各エッジ部の消耗を抑制することができる。

ところで、例えば、機関始動時のように筒内温度が低い場合及び低負荷時のように吸入空気量が少ない場合には、圧縮行程末期の点火時期における混合気の温度が低くなるために、混合気の着火容易性が低くなる。こうして、混合気の着火容易性が低くなると、そのままでは、プラズマジェットによる混合気の良好な着火が不可能となるために、プラズマ点火装置においてプラズマを発生させるためのプラズマエネルギを増大し、プラズマジェットの温度を高めてプラズマジェットの着火能力を高めることが必要となる。ここで、プラズマエネルギとは、放電電流Ｉと放電電圧Ｖと放電時間ｔとの積である。

図３は、点火時期における混合気の着火容易性Ａに対して良好な着火を実現するのに必要とされるプラズマエネルギＰＥｒを示すグラフであり、着火容易性Ａが低くなるほど、必要プラズマエネルギＰＥｒが大きくなる。しかしながら、プラズマエネルギをプラズマエネルギ上限値ＰＥｍより大きくすると、プラズマ点火装置の中心電極３及び接地電極４の消耗が促進され、又は、プラズマジェットの到達距離が長くなって、先端が点火時期のピストン頂面へ到達してプラズマジェットの着火能力が反って低下してしまう。

図２は、本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の概略縦断面図である。同図において、１０は気筒上部略中心に配置されたプラズマ点火装置であり、２０は一対の吸気弁３０を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートであり、４０は一対の排気弁５０を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートである。６０は気筒上部周囲の吸気ポート側に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁である。７０はピストンであり、８０はプラズマ点火装置１０の噴孔近傍の混合気を加熱するためのグロープラグである。

本内燃機関において成層燃焼を実施する場合には、燃料噴射弁６０は、圧縮行程後半にピストン７０の頂面に形成されたキャビティ７１内へ燃料を噴射する。こうしてキャビティ７１内へ噴射された燃料は、キャビティ７１の底面に沿って進行しながら気化して、キャビティ７１の終端壁によって上昇してプラズマ点火装置１０の下側に成層混合気Ｍを形成する。この成層混合気Ｍは、プラズマ点火装置１０により点火時期においてピストン頂面へ向けて噴射されるプラズマジェットＰにより着火される。

本内燃機関において均質燃焼を実施する場合には、燃料噴射弁６０は、吸気行程中に気筒内へ燃料を噴射する。こうして気筒内へ噴射された燃料は、圧縮行程末期の点火時期までに気筒内に均質混合気を形成する。この均質混合気は、プラズマ点火装置１０により点火時期においてピストン頂面へ向けて噴射されるプラズマジェットＰにより着火される。

図４は、プラズマジェットにより成層混合気又は均質混合気を良好に着火させるための本内燃機関において実施される制御を示すフローチャートであり、点火毎に実施される。先ず、ステップ１０１において、今回の燃焼が成層燃焼及び均質燃焼のいずれであっても、点火時期におけるプラズマ点火装置１０の噴孔近傍の混合気の着火容易性Ａが推定される。着火容易性Ａは、筒内圧力が高いほど高くなり、混合気温度が低いほど低くなり、混合気の空燃比が理論空燃比に近いほど高くなる。それにより、例えば、筒内圧力センサにより点火時期直前の筒内圧力を測定し、混合気温度を、吸気系において測定された吸気温度と、吸気弁の閉弁時期を考慮した実圧縮比とに基づき推定し、気化していない燃料量を考慮してプラズマ点火装置１０の噴孔近傍の均質混合気又は成層混合気の実空燃比を推定し、これらに基づき、今回の燃焼が成層燃焼であるか均質燃焼であるかもを考慮して今回の燃焼の混合気の着火容易性Ａを推定する。

また、前回の燃焼速度を回転センサの出力又は筒内圧力センサの出力に基づき推定し、前回のプラズマジェットにより着火燃焼させた前回の燃焼速度から前回燃焼させた混合気の着火容易性Ａ’を推定し、前回燃焼させた混合気と今回燃焼させる混合気とにおいて、着火容易性はそれほど変化しないとして、前回燃焼させた混合気の着火容易性Ａ’を今回燃焼させる混合気の着火容易性Ａとしたり、前回燃焼させた混合気の着火容易性Ａ’を僅かに補正（前回の燃焼と今回の燃焼との違いに基づく補正）して今回燃焼させる混合気の着火容易性Ａとしたりしても良い。

ステップ１０２において、ステップ１０１において推定された今回の混合気の着火容易性Ａに基づき図３に示すグラフ等を使用して混合気を良好に着火させるのに必要なプラズマエネルギＰＥｒが算出される。次いで、ステップ１０３において、ステップ１０２において算出されたプラズマエネルギＰＥｒが前述したプラズマエネルギ上限値ＰＥｍ以下であるか否かが判断される。この判断が肯定される時には、ステップ１０４において、プラズマエネルギＰＥはステップ１０２において算出された必要プラズマエネルギＰＥｒとされ、ステップ１０５において、以下に説明する加熱エネルギＨＥは０とされ、すなわち、プラズマ点火装置１０のプラズマエネルギＰＥだけを制御し、今回の燃焼の混合気を良好に着火させるのに必要最小限のプラズマエネルギを有するプラズマジェットＰによって混合気を良好に着火させる。

一方、ステップ１０２において算出されたプラズマエネルギＰＥｒが前述したプラズマエネルギ上限値ＰＥｍを越える時には、ステップ１０３の判断が否定され、点火直前において、グロープラグ８０のような加熱手段によってプラズマ点火装置１０の噴孔近傍の混合気を加熱し、混合気の着火容易性Ａを高める。それにより、ステップ１０６において、今回の混合気の着火容易性Ａを、上限値ＰＥｍのプラズマエネルギを有するプラズマジェットが良好に着火させることができる着火容易性Ａｔまで向上させるのに必要な加熱エネルギＨＥｒが算出される。この必要加熱エネルギＨＥｒは今回の混合気の着火容易性Ａが低いほど大きくなる。

次いで、ステップ１０７において、ステップ１０６において算出された必要加熱エネルギＨＥｒが例えばグロープラグの最大通電時間又はバッテリ電圧等により定めされる加熱エネルギ上限値ＨＥｍ以下であるか否かが判断される。この判断が肯定される時には、ステップ１０８において、プラズマエネルギＰＥはプラズマエネルギ上限値ＰＥｍとされ、ステップ１０９において、加熱エネルギＨＥは必要最小限の加熱エネルギＨＥｒとされ、上限値ＰＥｍのプラズマエネルギを有するプラズマジェットＰによって、グロープラグ８０による加熱により着火容易性を上限値ＰＥｍのプラズマエネルギを有するプラズマジェットが良好に着火させることができる着火容易性Ａｔまで高められた混合気を良好に着火させる。

一方、ステップ１０６において算出された加熱エネルギＨＥｒが前述した加熱エネルギ上限値ＨＥｍを越える時には、ステップ１０７の判断が否定され、ステップ１１０において燃料噴射弁６０により追加燃料噴射を実施する。この追加燃料噴射は、成層燃焼の場合には、圧縮行程後半の燃料噴射量を増量することとなり、均質燃焼の場合には、圧縮行程後半において追加燃料を噴射することとなる。それにより、点火時期におけるプラズマ点火装置１０の噴孔近傍の混合気の空燃比を理論空燃比へ近づけて着火容易性Ａを向上させる。

それにより、ステップ１１１において、プラズマエネルギＰＥはプラズマエネルギ上限値ＰＥｍとされ、ステップ１１２において、加熱エネルギＨＥは加熱エネルギ上限値ＨＥｍとされるが、上限値ＰＥｍのプラズマエネルギを有するプラズマジェットＰによって、グロープラグ８０による加熱により及び空燃比を理論空燃比へ近づけることにより着火容易性を上限値ＰＥｍのプラズマエネルギを有するプラズマジェットが良好に着火させることができる着火容易性Ａｔまで高められた混合気を良好に着火させる。

本実施形態においては、点火時期のプラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気の空燃比が理論空燃比よりリーンであることを前提としたが、空燃比がリッチ過ぎて混合気の着火容易性が低下することもある。この場合には、次回の燃焼に際して吸気量を増大させて次回の燃料の混合気の着火容易性を向上させるようにしても良い。

本実施形態において、プラズマ点火装置１０の噴孔近傍の混合気を加熱するための加熱手段はグロープラグ８０としたが、これは本発明を限定するものではなく、例えば、図１に示すように、噴孔５の近傍に配置された電気ヒータ９を加熱手段として使用するようにしても良い。図１のプラズマ点火装置において、電気ヒータ９は噴孔５が形成された接地電極４の回りに配置されており、それにより、低温始動時に電気ヒータ９を作動して接地電極４を加熱することにより、チャンバ１内が低温である時にも放電開始電圧の上昇を抑制することができる。

１チャンバ
２絶縁体
３中心電極
４接地電極
５噴孔
９電気ヒータ
１０プラズマ点火装置
８０グロープラグ

Claims

プラズマ点火装置による点火直前に前記プラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気を加熱する加熱手段を具備し、点火時期における混合気の着火容易性が低いほど、前記プラズマ点火装置においてプラズマを発生させるためのプラズマエネルギを徐々に大きくし、プラズマエネルギがプラズマエネルギ上限値を超える時には、プラズマエネルギを前記プラズマエネルギ上限値として前記加熱手段による前記プラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気の加熱を開始し、前記着火容易性が低いほど、前記加熱手段の加熱エネルギを徐々に大きくすることを特徴とするプラズマ点火装置を備える内燃機関。
前記加熱手段の加熱エネルギが加熱エネルギ上限値を超える時には、加熱エネルギを前記加熱エネルギ上限値として、前記着火容易性が低いほど、前記プラズマ点火装置の噴孔近傍の混合気の空燃比を理論空燃比へ徐々に近づけることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関。