JP5430437B2

JP5430437B2 - 点火装置および点火方法

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Publication number: JP5430437B2
Application number: JP2010031969A
Authority: JP
Inventors: 貴司岩本; 隆文永野; 秀規小関; 正浩渡辺; 康博白木; 寛久桑野; 直喜合澤; 廣樹大寺; 順一西前; 正人倉橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: JP2011169179A

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内の混合気に点火する点火装置および点火方法に関する。

従来より、内燃機関の効率を向上させるためには、燃料混合気（以下、単に混合気とする）の希薄化が有効であることが広く認識されている。しかし、スパークプラグ（点火プラグ）に実質的に直流の電圧を印加して発生した放電エネルギーによって点火する内燃機関では、スパークプラグによる希薄な混合気への点火・燃焼に限界があり、希薄な混合気を安定して燃焼させることができなかった。

このような問題の対策として、混合気に対して高周波の電磁波を放射して電磁エネルギーを供給することによって、希薄な混合気の燃焼を可能にする点火装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５１−７７７１９号公報

混合気に対して放射する電磁波の周波数は適切にする必要があるが、当該周波数は混合気の燃焼状態や燃焼室の状態など動作環境によって変化する。従って、動作環境の変化に応じて適切な周波数の電磁波を放射する必要がある。従来の点火装置では、動作環境に応じて適切な周波数の電磁波を放射する方法について開示されてなかった。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、動作環境に応じた適切な周波数の電磁波を放射して内燃機関の燃焼効率を向上させることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明による点火装置は、内燃機関の燃焼室の混合気に点火する点火装置であって、直流パルスを発生する直流パルス発生手段と、直流パルス発生手段で発生した直流パルスに基づき、燃焼室内に直流パルス放電を行う直流パルス放電手段と、変更可能な周波数を有する高周波電圧を発生する高周波電圧発生手段と、高周波電圧発生手段で発生した高周波電圧に基づき、燃焼室内に電磁波放射を行う電磁波放射手段と、高周波電圧発生手段と電磁波放射手段との間に設けられ、電磁波放射手段に入射する入射電圧と、反射された反射電圧とを計測する入反射電圧計測手段と、入反射電圧計測手段で計測された入射電圧および反射電圧に基づき、高周波電圧発生手段で発生する高周波電圧の周波数を制御する高周波電圧制御手段とを備え、高周波電圧制御手段は、入射電圧に対する反射電圧の比に基づき、高周波電圧発生手段で発生する高周波電圧の周波数を制御し、かつ入反射電圧計測手段で計測された入射電圧および反射電圧の標本化を制御し、かつ標本化の制御を、内燃機関の排気−吸気工程にて行うことを特徴とする。

本発明によると、高周波電圧発生手段と電磁波放射手段との間に設けられ、電磁波放射手段に入射する入射電圧と、反射された反射電圧とを計測する入反射電圧計測手段と、入反射電圧計測手段で計測された入射電圧および反射電圧に基づき、高周波電圧発生手段で発生する高周波電圧の周波数を制御する高周波電圧制御手段とを備え、高周波電圧制御手段は、入射電圧に対する反射電圧の比に基づき、高周波電圧発生手段で発生する高周波電圧の周波数を制御し、かつ入反射電圧計測手段で計測された入射電圧および反射電圧の標本化を制御し、かつ標本化の制御を、内燃機関の排気−吸気工程にて行うため、動作環境に応じた適切な周波数の電磁波を放射して内燃機関の燃焼効率を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態による点火装置のブロック図である。本発明の実施形態による入反射電圧計測手段の説明図である。本発明の実施形態による高周波電圧制御手段のブロック図である。本発明の実施形態による点火装置をエンジンに取り付ける一例を示した図である。前提技術による点火装置の構成図である。一般的なスパークプラグの反射電力比の一例を示すグラフである。

本発明の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。

まず初めに、本発明の前提となる技術について説明する。

図５は、前提技術（特許文献１）による点火装置の構成図であり、４気筒の内燃機関に設置された点火装置の具体例を示している。図５に示すように、オツシレータ１７は、電池１５および発電機１６から制御ボックス２１を経由して供給された電力を用いて高周波電圧を発生させている。発生した高周波電圧は、同軸ケーブル１８、同軸リレースイッチ２４、高電圧直流阻止装置２０．１〜２０．４を経由してスパークプラグ２２．１〜２２．４に供給される。一方、直流高電圧は、分配器２５にて分配された後、端子２３．３、同軸ケーブル１８ａ、低域フィルタ１９．１〜１９．４を経由してスパークプラグ２２．１〜２２．４に供給される。高周波電圧および直流高電圧は、スパークプラグ２２．１〜２２．４のいずれかに順次供給される。

オツシレータ１７が発生させる高周波電圧（動作周波数）は、燃焼室内に供給される混合気中の空気−燃料混合物の荷電粒子種のほぼプラズマ周波数ｆ_psの動作周波数、または、約１０⁶Ｈｚ以上約１０¹²Ｈｚ以下の周波数としている。ここで、プラズマ周波数ｆ_psは、以下の式（１）として示される。

ここで、ｎは荷電粒子種の数密度、ｅは電子の電荷量、ｍは荷電粒子種の質量、ε₀は自由空間の誘電率とする。

式（１）から明らかなように、荷電粒子種のプラズマ周波数ｆ_psは、荷電粒子種の数密度ｎに依存している。荷電粒子種の数密度ｎは混合気の燃焼状態に応じて大きく変化するため、それに伴ってプラズマ周波数ｆ_psも大きく変化する。従って、オツシレータ１７が発生させる高周波電圧（動作周波数）は、変化するプラズマ周波数ｆ_psに対応させて調整する必要があるが、そのような方法は開示されていなかった。また、約１０⁶Ｈｚ以上約１０¹²Ｈｚ以下の周波数は、周波数帯域が非常に広いため、必ずしも適切な周波数の電磁波を放射しているとは限らない。このように、従来の点火装置では、内燃機関の燃焼効率を向上させることが難しいという問題があった。

また、一般的な高周波電磁波放射回路において、入射高周波（放射手段に入射される高周波）の周波数に応じて反射波が形成される場合がある。このような反射波は、回路に発熱等を生じさせ、増幅器などの回路要素を破損させるなどの問題がある。内燃機関の燃焼室内に電磁波を放射させるスパークプラグなどの放射手段を含む回路では、放射手段や燃焼室の物理的な寸法や、燃焼室内の気体状態の影響を受けて反射波が大きく変化する。

一般的なスパークプラグを放射手段としても用いる場合、スパークプラグは直流パルス印加時に効率的な放電を行うことを目的として設計されているため、印加した高周波電圧を効率的に放射する電磁波の周波数の範囲は非常に狭くなる。このような周波数の範囲以外の周波数で電磁波を放射すると反射波が形成され、高周波電圧の供給側に戻ってしまい上述の問題を生じてしまう。従って、入射高周波の周波数の精密な制御が必要となる。

スパークプラグに高周波信号を入射するとき、スパークプラグへの入射電圧に対する反射電圧の比（以下、反射電圧比とする）や、入射電力に対する反射電力の比（以下、反射電力比とする）を計測することが可能である。図６は、一般的なスパークプラグの反射電力比の一例を示すグラフであり、当該スパークプラグは効率的な電磁波を放射するものとする（以下、特に断りがない限り、スパークプラグは効率的な電磁波を放射する放射手段としても用いられるものとする）。図６に示すように、反射電力比は特定の周波数でのみ減少し、その他の周波数では大きくなっている。また、周波数が約１％変化するだけで反射電力比が１０倍以上増加するスパークプラグもある。反射電力比が減少する周波数は、同一種類のスパークプラグでも個々で異なり、同一のスパークプラグでも時間変動（動作環境の変化による変動）を示す。

上記のことから、同一種類の個々のスパークプラグや同一のスパークプラグにおける動作環境の変化に対応して入射高周波信号（入射高周波電圧）を制御することができれば、たとえ高周波電磁波放射用のアンテナとしての性能が十分ではないスパークプラグを利用したとしても、電磁波を効率的に放射して混合気の燃焼効率を向上させることが可能となる。本発明は、動作環境に応じた適切な周波数の電波を放射して内燃機関の燃焼効率を向上させることを目的としており、以下に詳細を説明する。

〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態による点火装置のブロック図である。図１に示すように、本実施形態による点火装置は、内燃機関の燃焼室の混合気に点火する点火装置であって、直流パルスを発生する直流パルス発生手段３と、直流パルス発生手段３で発生した直流パルスに基づき、燃焼室内に直流パルス放電を行う直流パルス放電手段６と、高周波電圧を発生する高周波電圧発生手段２と、高周波電圧発生手段２で発生した高周波電圧に基づき、燃焼室内に電磁波放射をおこなう電磁波放射手段５（スパークプラグ）と、高周波電圧発生手段２と電磁波放射手段５との間に設けられ、電磁波放射手段５に入射する入射電圧と、反射された反射電圧とを計測する入反射電圧計測手段４と、入反射電圧計測手段４で計測された入射電圧および反射電圧に基づき、高周波電圧発生手段２で発生する高周波電圧を制御する高周波電圧制御手段１とを備え、高周波電圧制御手段１は、入射電圧に対する反射電圧の比に基づき、高周波電圧発生手段２で発生する高周波電圧を制御することを特徴としている。図１に示す点火装置は、図４に示すようなエンジンに取り付けてもよい。なお、図４において、７１はプラグホール、７２は電磁波放射手段５および直流パルス放電手段６の機能を実現するスパークプラグ、７３は燃焼室、７４はピストン、７５は燃焼室壁、７６は吸気バルブ、７７は排気バルブ、７８は吸気通路、７９は排気通路を示している。

高周波電圧発生手段２は、標準状態の電磁波放射手段５に対して適切な周波数の範囲となるように電圧を発生させる。具体例としては、公知の水晶発信器が生成した電圧を公知の増幅器によって増幅することによって高周波電圧を生成してもよい。このように発生させた高周波電圧は、電磁波放射手段５に伝達した後に放射される。高周波放射手段５への伝達は、通常の高周波用同軸ケーブル、または、他の公知の手段を用いてもよい。

図２は、本発明の実施形態による入反射電圧計測手段４の説明図である。図２に示すように、入反射電圧計測手段４は、方向性結合器４１，４２を備えている。方向性結合器４１は、電磁波放射手段５に入射する入射高周波が一定の結合で誘導して入射電圧を発生させる。また、方向性結合器４２は、電磁波放射手段５から反射された反射高周波が一定の結合で誘導して反射電圧を発生させる。なお、方向性結合器４１，４２は、公知の方向性結合器を用いてよい。このように発生した入射電圧および反射電圧は、公知のアナログ−デジタル変換器でそれぞれ標本化される。

電磁波放射手段５は、一般的なスパークプラグ、特許文献１の図１〜図７に示すスパークプラグ、または、他の公知の手段を用いてよい。

直流パルス発生手段３は、公知の点火コイルを用いて構成してもよい。また、直流パルス放電手段６は、電磁波放射手段５と同一の装置としてもよく、異なる装置としてもよい。なお、同一の装置として用いる場合は、前述の一般的なスパークプラグ、または、特許文献１の図１〜図７に示すスパークプラグを用いてもよい。

図３は、本発明の実施形態による高周波電圧制御手段１のブロック図である。図３に示すように、高周波電圧制御手段１は、高周波電圧制御手段１における入出力関係を実現するためにプロセッサ１１を備えている。プロセッサ１１は、公知のマイコンを用いて構成してもよい。

また、高周波電圧制御手段１は、高周波電圧を制御するために必要となる内燃機関のクランク角度、回転数、燃料噴射量、空気燃料費、点火時期の状態信号のうちの一部または全部を入力する状態信号入力ポート１２と、入反射電圧計測手段４での標本化を制御する制御信号を入反射電圧計測手段４に対して出力する標本化制御信号出力ポート１３と、入反射電圧計測手段４にて採取した標本値を入力する標本値入力ポート１４と、高周波電圧の発生を制御するために、周波数、電圧、タイミング信号のうちの一部または全部の制御信号を高周波電圧発生手段２に対して出力する高周波電圧制御信号出力ポート１５とを備えている。なお、入反射電圧計測手段４で計測された入射電圧および反射電圧の標本化は、プロセッサ１１を構成するマイコンが搭載するアナログ−デジタル変換器を用いて行ってもよい。さらに、高周波電圧制御手段１は記憶装置１６を備えており、複数の標本値、予め定められたパラメータ値、標準制御プログラムの一部または全部を記録する。

なお、高周波電圧制御手段１は、予め標準的な標準制御を記憶装置１６に記憶しておいてもよい。当該標準制御は、内燃機関の状態信号と高周波電圧発生信号との関係を表の形態として記憶しておいてもよい。

次に、入反射電圧計測手段４で計測される入射電圧および反射電圧を標本化する方法について説明する。

入反射電圧計測手段４は、入射電圧および反射電圧の標本化を、好ましくは内燃機関の排気−吸気工程にて行っている。すなわち、高周波電圧制御手段１は、標本化の制御を、内燃機関の排気−吸気工程にて行っている。なお、標本化は複数回行ってもよく、高周波電圧制御手段１によって任意に制御される。

排気−吸気工程におけるピストン位置は、圧縮−爆発工程におけるピストン位置と対応し（すなわち、燃焼室の物理的な寸法が同じ）、混合気の状態を除いては、圧縮−爆発工程における内燃機関の燃焼室内（気筒内）の電磁特性を再現している。このように、排気−吸気工程にて電磁波を放射して入射電圧および反射電圧を計測し標本化を行うことによって、圧縮−爆発工程にて放射される電磁波に必要な電力よりも小さな電力で電磁波を放射することができ、省電力化を図ることが可能となる。また、電磁相互作用は線形であるため、排気−吸気工程にて小電力で入射電圧および反射電圧を計測した後に、大電力で電磁波の放射を行なう圧縮−爆発工程にて計測される入射電圧および反射電圧を推定することが可能となる。

なお、本実施形態による点火装置は、高周波電圧発生手段２で発生した高周波電圧と、当該高周波電圧が電磁波放射手段５に入射するときの入射電圧とを、予め定めたパラメータと比較して点火装置の動作の正常性を確認する手段をさらに備えてもよい。また、排気−吸気工程において、高周波電圧制御手段１は、標準制御時および／またはその近傍の電磁波放射に用いられる高周波電圧を信号雑音比が確保可能な最小電圧として電磁波を発生させるように制御し、入反射電圧計測手段４で計測した入射電圧および反射電圧を標本化してもよい。このとき、発生させる電磁波は、標準制御時およびその近傍の複数の周波数で標本化を行ってもよい。また、採取した標本値は、パラメータと併せて記憶装置１６に記憶してもよい。

また、高周波電圧制御手段１によって適切に制御される高周波電圧発生手段２で発生する高周波電圧の周波数は、入射電圧および反射電圧の標本値に対して欲張り法やタブーリサーチ法を用いて探索を行ってもよい。また、複数の標本値を用いて、高周波電圧発生手段２で発生した高周波電圧の周波数が適切であるか否かを統計的検定してもよい。検定の結果、周波数が適切であると判断されると、当該周波数を圧縮−爆発工程における適切な高周波電圧の周波数として用いてよい。

以上のことから、高周波電圧制御手段１は、入反射電圧計測手段４で計測された入射電圧および反射電圧を標本化し、入射電圧に対する反射電圧の比に基づき高周波電圧発生手段２で発生する高周波電圧を制御するため、動作環境に応じた適切な周波数の電磁波を放射して内燃機関の燃焼効率を向上させることが可能となる。また、高周波電圧制御手段１は、入射電圧および反射電圧の標本化の制御を排気−吸気工程にて行うため、圧縮−爆発工程にて放射される電磁波に必要な電力よりも小さな電力で電磁波を放射すればよく、標本化制御時の省電力化を図ることが可能となる。

〈実施形態２〉
本発明の実施形態２では、入反射電圧計測手段４は、入射電圧および反射電圧の計測を内燃機関の圧縮−爆発工程にて行っており、高周波電圧制御手段１は、入射電圧および反射電圧の標本化の制御を、内燃機関の同一運転条件下において同一タイミングで複数点火サイクル行うことを特徴としている。その他の構成および動作は、実施形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

圧縮−爆発工程にて混合気が受容する周波数の電磁波を電磁波放射手段５から放射する場合において、当該周波数では混合気は他の周波数の電磁波よりも電磁波エネルギー（電力）を多く受容するため、電磁波放射手段５から放射された電磁波が燃焼室を反射して戻ってくる電力が減少する（すなわち、反射電力比が減少する）。混合気が受容する周波数は一般的に混合気の状態に依存して変化するが、高周波電圧制御手段１による入射電圧および反射電圧の標本化の制御を内燃機関の同一運転条件下において同一タイミングで複数点火サイクル行った後、統計的検定を適用することによって、混合気が受容する電磁波の周波数を信頼度の範囲で推定することが可能となる。なお、推定した電磁波の周波数は、高周波電圧制御手段１の記憶装置１６に記憶してもよい。

以上のことから、高周波電圧制御手段１が、混合気が受容する電磁波の周波数で高周波電圧を発生させるように高周波電圧発生手段２を制御することによって、内燃機関の燃焼効率を向上させることが可能となる。

〈実施形態３〉
本発明の実施形態３では、入反射電圧計測手段４は、入射電圧および反射電圧の計測を内燃機関の圧縮−爆発工程にて行っており、高周波電圧制御手段１は、入射電圧および反射電圧の標本化の制御を、内燃機関の１点火サイクルあたり複数回行うことを特徴としている。その他の構成および動作は、実施形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。

圧縮−爆発工程にて電磁波放射手段５から電磁波を放射する場合において、混合気中にプラズマが発生すると新たな伝導体が出現することになり、このようなプラズマの出現は反射電力比の増大として観測することができる。

発生したプラズマを維持するために必要な電磁波の電力は、プラズマを発生させるために必要な電磁波の電力よりも小さい場合があり、その場合は高周波電圧発生手段２で発生させる高周波電圧を下げることによって放射させる電磁波の電力（入射電力）を抑制することが可能となる。高周波電圧発生手段２で発生させる高周波電圧の制御は、高周波電圧制御手段１が行う。

以上のことから、電磁波を放射して混合気中にプラズマが発生した場合において、高周波電圧発生手段２で発生させる高周波電圧を下げることによって放射させる電磁波の電力（入射電力）を抑制することが可能となる。

１高周波電圧制御手段、２高周波電圧発生手段、３直流パルス発生手段、４入反射電圧計測手段、５電磁波放射手段、１１プロセッサ、１２状態信号入力ポート、１３標本化制御信号出力ポート、１４標本値入力ポート、１５高周波電圧制御信号出力ポート、１６記憶装置、４１，４２方向性結合器、７１プラグホール、７２スパークプラグ、７３燃焼室、７４ピストン、７５燃焼室壁、７６吸気バルブ、７７排気バルブ、７８吸気通路、７９排気通路。

Claims

内燃機関の燃焼室の混合気に点火する点火装置であって、
直流パルスを発生する直流パルス発生手段と、
前記直流パルス発生手段で発生した前記直流パルスに基づき、前記燃焼室内に直流パルス放電を行う直流パルス放電手段と、
変更可能な周波数を有する高周波電圧を発生する高周波電圧発生手段と、
前記高周波電圧発生手段で発生した前記高周波電圧に基づき、前記燃焼室内に電磁波放射を行う電磁波放射手段と、
前記高周波電圧発生手段と前記電磁波放射手段との間に設けられ、前記電磁波放射手段に入射する入射電圧と、反射された反射電圧とを計測する入反射電圧計測手段と、
前記入反射電圧計測手段で計測された前記入射電圧および前記反射電圧に基づき、前記高周波電圧発生手段で発生する前記高周波電圧の前記周波数を制御する高周波電圧制御手段と、
を備え、
前記高周波電圧制御手段は、前記入射電圧に対する前記反射電圧の比に基づき、前記高周波電圧発生手段で発生する前記高周波電圧の前記周波数を制御し、かつ前記入反射電圧計測手段で計測された前記入射電圧および前記反射電圧の標本化を制御し、かつ前記標本化の制御を、前記内燃機関の排気−吸気工程にて行うことを特徴とする、点火装置。
内燃機関の燃焼室内の混合気に点火する点火方法であって、
（ａ）直流パルスを発生する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で発生した前記直流パルスに基づき、前記燃焼室内に直流パルス放電を行う工程と、
（ｃ）変更可能な周波数を有する高周波電圧を発生する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）で発生した前記高周波電圧に基づき、前記燃焼室内に電磁波放射を行う工程と、
（ｅ）前記工程（ｄ）において入射する入射電圧と、反射された反射電圧とを計測する工程と、
（ｆ）前記工程（ｅ）で計測された前記入射電圧および前記反射電圧に基づき、前記工程（ｃ）で発生する前記高周波電圧の前記周波数を制御する工程と、
を備え、
前記工程（ｆ）は、前記入射電圧に対する前記反射電圧の比に基づき、前記工程（ｃ）で発生する前記高周波電圧の前記周波数を制御し、かつ前記工程（ｅ）で計測された前記入射電圧および前記反射電圧の標本化を制御し、かつ前記標本化の制御を、前記内燃機関の排気−吸気工程にて行うことを特徴とする、点火方法。