JP5791266B2 - 内燃機関の火花点火方法 - 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点火とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する内燃機関の火花点火方法に関するものである。

従来、例えば自動車用の内燃機関では、点火プラグの中心電極と接地電極との間に高電圧を印加し、両電極間のギャップに生成する火花放電により、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おいて例えば、火花エネルギが不足して火炎核ができにくい場合が生じたりする。

このような火花点火時の不具合を解決するために例えば、特許文献１に記載のもののように、燃焼室内にプラズマを生成し、そのプラズマと火花放電とを反応させることにより、火炎核を確実に生成するようにしたものが知られている。この特許文献１のものでは、点火プラグを介して供給するマイクロ波により、火花放電の直前あるいは火花放電とほぼ同時に高周波電界を発生させ、火花放電とプラズマとを反応させて、より強力な火炎核を生成している。

特許文献１では、高周波電界を生成するためにマイクロ波を使用しているが、マイクロ波を出力する装置は、構成が比較的複雑である。また、マイクロ波が内燃機関から漏れた場合には、人体に対する影響力も小さくない。このような点を考慮して、装置構成がマイクロ波発振装置に比較して複雑ではなく、マイクロ波より扱いが容易な、マイクロ波より周波数が低い高周波をマイクロ波に代えて使用することが考えられている。

ところで、火花放電は一般的に、負の高電圧を中心電極に印加して実施される。この負の高電圧による火花放電に対応して、プラズマを生成するための電界についても負極性にしている。これにより、点火プラグの電極近傍、したがってその周囲は負に帯電した状態になる。この一方で、火炎核、燃焼ガスあるいは燃焼雰囲気は正に帯電している。

このような帯電状態に伴って、火炎核や燃焼雰囲気が点火プラグの電極近傍に留まろうとする現象が観測される。このことは、火炎核等が拡大する、つまり火炎核の体積が増加することを阻害することになる。このため、着火性を良好にして、燃焼効率の向上を図ることが困難になることがある。

特開２０１０‐１０１１８２号公報

そこで本発明は以上の点に着目し、火花点火式の内燃機関において、プラズマを利用して点火する場合の、着火性及び燃焼効率の向上を図ることを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の火花点火方法は、点火プラグの中心電極に点火コイルを介して印加される負の高電圧により中心電極と接地電極との間に生じる火花放電と、燃焼室内に生成される電界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火花点火方法であって、燃焼室内に電界を生成するために負の脈流電圧を印加し、１サイクルにおける圧縮上死点以降は火花放電と反応させていた電界の生成を遮断するべく前記負の脈流電圧の印加を中止することを特徴とする。

このような構成によれば、圧縮上死点以降の行程、すなわち膨張行程において電界が遮断されることで、火花放電と電界との反応で生じるプラズマを用いて生成した火炎核が、点火プラグ周辺に留まる可能性が低くなる。この結果、火炎核の拡大を助長することができ、燃焼効率を向上させることが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、火花放電と電界とを反応させてプラズマを生成し、そのプラズマの存在する中で混合気に着火し、火炎核の生成後、圧縮上死点以降に電界を遮断することで、火炎核の拡大を助長することができ、燃焼効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態を適用するエンジンの要部を示す断面図。 同実施形態における点火装置の電気回路図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

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は、点火プラグ１を備える火花点火式内燃機関である二気筒のエンジン１００の一気筒の構成を示すものである。このエンジン１００は、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１を中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１が取り付けられてあり、吸気ポート２には燃焼室６へ供給する混合気を生成するための燃料噴射弁を備える。なお、エンジン１００それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。

この実施形態の点火プラグ１は、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から火花放電が発生する間隙１４だけ離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１６と、イグナイタと点火コイルとが構造上一体にされてなるイグナイタ付点火コイル（以下、点火コイルと称する）２１、２２が電気的に接続される接続端子１７とを基本的に備える。点火プラグ１は、この分野でよく知られたものを用いるものであってよい。

この点火プラグ１に接続される点火装置２０は、図２に示すように、第一気筒の点火プラグ１に接続される第一点火コイル２１と、第二気筒の点火プラグ１に接続される第二点火コイル２２と、第一点火コイル２１の二次側巻線２１ａにアノードが接続される第一ダイオード２３と、第二点火コイル２２の二次側巻線２２ａにアノードが接続される第二ダイオード２４と、昇圧トランスであるタップ付変圧器２５をその出力段に備えて火花点火時の所定時期に、燃焼室６内、特には点火プラグ１の中心電極１４を中心とする領域に電界を生成するための高周波電圧発生装置２６とを備えている。電界生成手段である高周波電圧発生装置２６は、タップ付変圧器２５と、タップ付変圧器２５に接続される発生装置本体２７と、高周波に基づく電圧を点火プラグ１に印加する時期（タイミング）及び印加を停止する時期を制御するためのスイッチング手段２８とを備えている。スイッチング手段２８は、点火プラグ１における放電電圧の最高電圧の発生位置あるいは発生時刻（以下、ピーク時刻と称する）及び各気筒における１サイクルの圧縮上死点を検出する電子制御装置２９により制御される。

高周波電圧発生装置２６の発生装置本体２７は例えば、車両用のバッテリの電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ‐ＤＣコンバータにて３００〜５００Ｖに昇圧し、昇圧された直流をＨブリッジ回路にて周波数が約２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚの交流に変化させる構成であり、高周波電圧発生装置２６はタップ付変圧器２５により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧した高周波を出力する構成である。出力される高周波の電圧は、後述する火花放電における誘導放電を持続させるに十分な、言い換えれば誘導放電を減衰させない電圧（以下、維持電圧と称する）以上に設定する。すなわち、高周波の電圧が維持電圧より小さいと、生成される電界の強度が低くなり、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、蛇行しなくなる可能性が生じ、後述するプラズマによる燃焼の促進が低下することがある。

タップ付変圧器２５は、巻数を二分割する位置にタップの形成されている。したがって、二次側巻線２５ａは、同一電圧で、かつ位相が１８０度異なる二つの交流を出力する。タップ付変圧器２５の二次側巻線２５ａが出力手段を構成する。このタップ付変圧器２５の二次側巻線２５ａのタップ２５ｂは、グランド（接地線）２７に接続してあり、二次側巻線２５ａの一方の端部２５ｃは第一ダイオード２３のカソードに接続され、その他方の端部２５ｄは第二ダイオード２４のカソードに接続される。高周波電圧発生装置２６は、前述のような周波数の交流を出力するものであれば、タップ付変圧器２５以外の構成は特にこの実施形態に限られるものではない。

第一及び第二ダイオード２３、２４は、高周波電圧発生装置２６が発生する交流に対しては整流手段として機能するとともに、第一及び第二点火コイル２１、２２が発生する火花放電のための高電圧に対しては、逆流防止ダイオードとして機能する。すなわち、この実施形態にあっては、燃焼行程において点火を実施する際には、点火コイル２１（２２）の二次側巻線２１ａ（２２ａ）から、点火プラグ１Ａの中心電極１４に負の高電圧が印加されるものである。したがって、第一及び第二ダイオード２３、２４は、そのそれぞれのアノードが対応する二次側巻線２１ａ、２２ａに接続されるので、前記負の高電圧が高周波電圧発生装置２６に逆流することを防止する。

電子制御装置２９は、エンジン１００に取り付けられる各種のセンサから出力される信号に基づいてエンジン１００の運転状態を制御する運転制御プログラムを内蔵するとともに、火花点火に関しては、点火プラグ１Ａ（１Ｂ）の中心電極１４と接地電極１５との間に点火コイル２１（２２）を介して印加される高電圧により生じる火花放電と、燃焼室６内に生成される電界とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火するに際して、１サイクルにおける圧縮上死点以降は火花放電と反応させていた電界を遮断するように、高周波電圧発生装置２６を制御する火花点火制御プログラムを内蔵している。この火花点火制御プログラムは点火時期毎に実行される。図３に、その制御手順を示す。

まず火花点火に際して、電子制御装置２９から出力される点火信号が点火コイル２１（２２）のイグナイタに入力されると、点火コイル２１（２２）の二次側巻線２１ａ（２２ａ）から、点火プラグ１Ａ（１Ｂ）の中心電極１４に負の高電圧が印加されて、火花放電が始まる。火花放電が始まると、まず、容量放電による容量火花が生じ、その後に誘導放電による誘導火花が生じる。そして、誘導放電が始まる時点に対応して、スイッチング手段２８を閉じて、高周波電圧を点火プラグ１Ａ（１Ｂ）に印加する。なお、印加する高周波電圧は、誘導放電を維持するのに要する電圧以上に設定するものである。

この場合に、点火コイル２１（２２）の出力電圧である二次電圧を計測しておき、計測にて得られた二次電圧が所定電圧以下の場合には高周波電圧の印加、言い換えれば電界の生成を禁止する。つまり、平均的な容量放電における放電電圧の最大値（以下、ピーク電圧と称する）の約６０％〜７０％の電圧に設定する所定電圧を、計測にて得られた二次電圧が上回った後に電界を生成するためのタイミングを判定するための判定電圧以下になった場合にのみ、電界の形成を開始する。

判定電圧は、二次電圧が所定電圧を上回ってピーク電圧を発現した後に二次電圧が降下したことを判定するもので、所定電圧より低い値に設定する。したがってこのタイミングは、誘導放電に至らない容量放電中である場合もあるが、二次電圧が判定電圧以下であるので、容量放電の電圧に高周波電圧が重畳しても過大な電圧にはならない。それゆえ、火花放電が誘導放電になるまでスイッチング手段２８をオンするタイミングを遅延させる必要はない。

このようにして、点火プラグ１Ａ（１Ｂ）に高周波電圧を印加した後は、印加した高周波電圧を停止する、つまり電界の生成を遮断する制御を、図３に示すフローチャートにより実施する。

まず、ステップＳ１では、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程で構成される１サイクルにおける圧縮上死点であるか否かを判定する。この判定は、エンジン１００の運転を制御するために取り付けられるクランク角センサが出力するクランク角信号に基づいて圧縮上死点を判定するものである。点火時期以降に圧縮上死点に達していないと判定した場合は、再度クランク角信号に基づいて圧縮上死点を判定する。

ステップＳ２では、エンジン１００の運転の進行が１サイクルの圧縮上死点であるので、スイッチング手段２８を開く制御を実行して高周波電圧の印加を中止する。これにより、電界の生成を遮断する。

以上の構成において、この実施形態では、高周波電圧発生装置２６からの高周波が、第一及び第二ダイオード２３、２４により半波整流されて負極性の脈流（電圧）となって中心電極１４に印加され、脈流（電流）が中心電極１４と接地電極１５との間に流れることによって火花放電時の容量放電後半から誘導放電直前乃至誘導放電開始時点に中心電極１４と接地電極１５との間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極１４と接地電極１５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。

すなわち、点火に際しては、点火プラグ１Ａ（１Ｂ）に点火コイル２１（２２）により、圧縮上死点より前のタイミング、つまり進角された点火時期において火花放電を発生させると、その火花放電に伴って点火プラグ１Ａ（１Ｂ）の間隙１８間に、上述のタイミングで高周波電圧を印加することで脈流（電流）が流れることによって電界が発生する。これにより、火花放電（主として誘導放電）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６内の混合気を急速に燃焼させる構成である。

具体的には、点火プラグ１Ａ（１Ｂ）による火花放電が電界中でプラズマになる。この結果、生成した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、所定空間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。

この場合に、１サイクルの圧縮上死点を判断した場合はそれ以降における高周波電圧の印加を中止するので、上述した火炎核が点火プラグ１Ａ（１Ｂ）の中心電極１４近傍に留められることがない。したがって、火炎核が中心電極１４に向かって引きつけられることなく、その体積が拡大し、燃焼が筒内全体に拡大する。これにより、燃焼状態が促進されるので、燃焼効率が高くなり、燃費を向上させることができる。

これに先立って、火花放電における容量放電が成功しておらず失火が生じる場合には、電界を形成するための高周波電圧の出力を禁止し、容量放電が成功している場合にのみ電界を生成するようにしているので、確実に点火を実施することができる。また、点火できない場合に電界の生成を禁止しているので、高周波電圧発生装置２６が点火装置２０中に生じる回り回路に流れる高周波により破損されることを防ぐことができる。

加えて、この実施形態にあっては、容量放電におけるピーク電圧発生の後に電界の生成を実施することにより、容量放電時の電圧に電界を生成するための脈流の電圧が重畳することがないため、容量放電が不安定になることを防止することができる。しかも、両電圧の重畳により点火プラグ１に過剰な高電圧が印加されることを抑制することができるので、点火プラグ１の耐久性を保つことができる。しかも、誘導放電中に電界を生成しているので、プラズマによる火炎核の成長を促進させて燃焼効率を上げることができる。これに加えて、電界を生成するための高周波の電圧を、誘導放電の維持電圧以上に設定しているので、電界生成の確実性を高くすることができ、プラズマを安定させることができる。

さらに、この実施形態においては、タップ付変圧器２５を高周波電圧発生装置２６の出力段に用いることにより、各気筒に対してほぼ同じ電圧の交流を出力することができる。このため、このタップ付変圧器２５によりあらかじめ出力する高周波の電圧を高く設定しておくことにより、第一及び第二ダイオード２３、２４における電圧降下分を補償することができ、適切な密度のプラズマを生成することができる。

又、一つの高周波電圧発生装置２６を各気筒の点火プラグ１Ａ、１Ｂにダイオード２３、２４を介して接続しているが、脈流（電流）が点火プラグ１Ａ、１Ｂの中心電極１４と接地電極１５との間の間隙１８に流れるのは、火花放電により間隙間抵抗値が下がる場合のみである。したがって、燃焼行程にない気筒、例えば点火が第一気筒で実行され、第二気筒は火花放電がない圧縮行程にある場合、第二気筒では脈流（電流）は流れないため、交流は消費されない。このため、高周波電圧発生装置２６の消費電力は大きくならず、高周波電圧発生装置２６における消費電力の増加を抑制することができる。

また、上記においては、火花放電時に点火プラグ１Ａ、１Ｂの中心電極１４に印加される高電圧が負電圧であるものを説明したが、正電圧であってもよい。この場合、この正電圧に脈流（電圧）の極性を合わせるために、第一ダイオード２３及び第二ダイオード２４はカソードを点火プラグ１Ａ、１Ｂの中心電極１４に接続する。

また、エンジンの気筒数は、上述の実施形態に限定されるものではない。

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の内燃機関に適用するものが挙げられる。

１…点火プラグ
２１…点火コイル
１００…エンジン
２９…電子制御装置
２６…高周波電圧発生装置
２０…点火装置

Claims (1)

1. 点火プラグの中心電極に点火コイルを介して印加される負の高電圧により中心電極と接地電極との間に生じる火花放電と、燃焼室内に生成される電界とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する内燃機関の火花点火方法であって、
   燃焼室内に電界を生成するために負の脈流電圧を印加し、１サイクルにおける圧縮上死点以降は火花放電と反応させていた電界の生成を遮断するべく前記負の脈流電圧の印加を中止する内燃機関の火花点火方法。

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