JP6070143B2 - 内燃機関の点火装置および点火方法 - Google Patents

Description

この発明は、点火プラグの電極間に繰り返し電圧を印加して複数回の放電を生じさせ、混合気の点火を行う内燃機関の点火装置および点火方法に関する。

燃料と空気との混合気を燃焼室内で確実に点火するために、点火プラグの電極間に繰り返し電圧を印加して複数回の放電を生じさせる技術が、例えば特許文献１，２に開示されている。

特許文献１は、点火プラグの中心電極の周囲に例えば３個の側方電極を配置し、パルス状に電圧を印加することで、中心電極とそれぞれ異なる側方電極との間で順次火花放電を生じさせるようになっている。ここでは、電圧を印加する間隔をある程度大きくすることで、一旦放電が生じた側方電極との間では放電が生じずに別の側方電極との間で次の放電が生じるようにしている。

特許文献２は、アーク放電となる主放電の前に、ストリーマ放電ないしグロー放電となる複数回のパルス放電を行い、アーク放電つまり主放電の直前の活性種濃度を高めるようにしている。

なお、一般に、活性種は、ラジカル（イオンや束縛電子の励起を含む）、電子、原子、分子内部振動や並進運動、などであり、放電により生成された後、時間経過に伴って安定状態に遷移するため、その寿命は比較的短い。

また特許文献３には、直流電力により点火プラグの電極間に火花放電を発生させた後、交流電力によって電極間に交流プラズマを発生させるようにしたプラズマ点火が開示されており、特に、交流プラズマが発生した後は交流電力を低減させることで、電極消耗を抑制することが記載されている。

特公昭６１−２７５８８号公報 特開２００９−４７１４９号公報 特開２０１２−１１２３１０号公報

一般に、内燃機関における点火時期は、要求負荷や機関回転数、混合気のガス組成などにより、最適な点火時期が変化するため、これに対応するように可変的に設定される。例えば、同じ吸気量であっても、点火時期の遅進により筒内圧が変化するため、飛び火（混合気の絶縁破壊）の容易性は変化し、負荷が変化すれば、同じ点火時期であっても同様に筒内圧が変化する。また、点火時期における筒内の温度やガス流動、混合気組成によって、放電後の着火性が変化する。

特許文献１〜３においては、点火時期における筒内圧等に無関係に、全運転領域において、飛び火に至る必要十分以上の２次電圧を常に担保することになり、なお改善の余地がある。

なお、特許文献３では、交流プラズマが発生した直後に交流電力を８０％以下に低減しているが、この低減割合は筒内圧等によらずに一定である。

本発明は、各サイクルの１回の点火期間中に点火プラグの電極間に繰り返し電圧を印加して複数回の放電を生じさせ、混合気の点火を行う内燃機関の点火装置を前提としている。

そして、本発明においては、上記点火期間中の繰り返し放電による時間当たりの放電エネルギの時間に対する特性が、点火時期における筒内環境、例えば筒内圧や残留ガス率などに応じて変化する。

すなわち、図１は、縦軸を時間当たりの放電エネルギとし、横軸を時間として、時間当たりの放電エネルギ（換言すればエネルギ密度）の時間に対する変化の一例を模式的に示した説明図であって、本発明の点火装置では、１サイクルにおける１回の点火期間Ｌの間に、例えば数回ないし数十回の繰り返し放電が行われるが、時間当たりの放電エネルギが、点火期間Ｌの間、最適な特性として与えられる。特に、本発明では、図１に模式的に示したような特性が、点火時期における筒内環境、例えば筒内圧や残留ガス率などに応じて変化する。これにより、点火時期や混合気組成などに応じて、より適切な態様で繰り返し放電を与えることができ、効率よくかつ確実な点火が可能となる。

なお、時間当たりの放電エネルギは、図２に示すように繰り返し放電の個々の放電のエネルギ（電圧や電流）を変更することによって変化させることができるほか、繰り返し放電の放電間隔つまり単位時間当たりの放電回数の変更によっても変化させることが可能である。
本発明の具体的な一つの態様では、点火時期における筒内圧が低いときは、繰り返し放電の各々の放電電圧をほぼ一定とし、筒内圧が高いときは、繰り返し放電における少なくとも１回目の放電電圧を高く与える。

この発明によれば、１回の点火期間中に点火プラグの電極間に繰り返し電圧を印加して複数回の放電を生じさせる点火装置ないし点火方法において、時間当たりの放電エネルギの時間特性を要求に応じて変化させることで、より効率よくかつ確実な点火を行うことができる。

時間当たりの放電エネルギの時間に対する特性の一例を模式的に示した特性図。 繰り返し放電における各放電の放電エネルギを変更した説明図。 この発明に係る点火装置を備えた内燃機関の構成説明図。 点火プラグの要部の説明図。 電極間に印加されるパルス状の電圧の一例を示す波形図。 電極間に印加されるパルス状の電圧の他の例を示す波形図。 電極間に印加されるパルス状の電圧の他の例を示す波形図。 電極間に印加されるパルス状の電圧の他の例を示す波形図。 点火時期における筒内圧が低いとき（ａ）と高いとき（ｂ）の放電電圧の特性を対比して示す説明図。 繰り返し放電の各々の電流を変更した例の説明図。 第２の実施例の点火装置を備えた内燃機関の構成説明図。 ガス流動の存在下での（ａ）１回目の放電チャンネルと（ｂ）２回目の放電チャンネルとを対比して示す説明図。 ガス流動と放電間隔とに対する抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）の特性を示す特性図。 図１３の各パラメータの説明図。 放電間隔が小さい実施例の抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）および放電チャンネル長さの時間的な変化を示すタイムチャート。 放電間隔が大きい比較例の抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）および放電チャンネル長さの時間的な変化を示すタイムチャート。 放電チャンネルが、幅が狭い方の電極よりも外側に拡がっている状態を示す説明図。 放電チャンネルが、幅が広い方の電極よりも外側に拡がっている状態を示す説明図。 放電間隔を放電回数に伴って変化させた実施例を示す図１５と同様のタイムチャート。 放電間隔を大きく設定した比較例のタイムチャート。 放電間隔を小さく設定した比較例のタイムチャート。 放電間隔の変化の態様の一例を示す特性図。 放電間隔の変化の態様の他の例を示す特性図。 放電間隔の変化の態様のさらに他の例を示す特性図。 放電電流が一定の基本的な態様によるタイムチャート。 放電電流を一定とした波形図。 放電電流が徐々に増加する態様によるタイムチャート。 放電電流を徐々に増加させた波形図。

以下、この発明の好ましい一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図３は、この発明に係る点火装置を備えた内燃機関１の一例を示している。この内燃機関１は、４ストロークサイクルの火花点火式ガソリン機関として構成されたものであって、ピストン２が収容されたシリンダ３の頂部に、例えば一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置され、かつこれらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた天井面中心部に点火プラグ６が配置されている。燃焼室７には、上記吸気弁４を介して吸気ポート８が接続され、かつ上記排気弁５を介して排気ポート９が接続されている。吸気ポート８は、その上流側において吸気コレクタ１０に接続されており、この吸気コレクタ１０の入口部には、電動モータからなるアクチュエータ１１によって開閉駆動されるスロットル弁１２が配置されている。各吸気ポート８には、吸気弁４へ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁１３が配置されている。

内燃機関１は、吸気弁４と排気弁５の何れか一方または両方の開閉時期を変更可能な可変動弁機構を備えており、内燃機関１の運転条件に応じ吸気弁４と排気弁５の両方が開いているバルブオーバーラップ期間を調整して筒内の残留ガス率（内部ＥＧＲ率）を制御することができるようになっている。また、排気ガスを吸気コレクタ１０へ還流させる外部ＥＧＲ系を備え、内燃機関１の運転条件に応じ外部ＥＧＲ系のＥＧＲ制御弁の開度を調整することで外部ＥＧＲ率を制御することができるようになっている。また、内燃機関１の運転条件に応じ燃料噴射弁１３からの燃料噴射量を調整することで筒内に形成する均質混合気の空燃比を制御することができるようになっている。これら内部ＥＧＲ率、外部ＥＧＲ率、空燃比の制御により、燃焼室７内の混合気の着火性および燃焼速度は大きく変化する。例えば、スロットル弁１２の開度が全開とされる条件を少なくとも含む所定の高負荷運転条件では、吸入空気量を確保するため、内部ＥＧＲ率は可能な限り小さく制御され、外部ＥＧＲは停止され、空燃比は理論空燃比または理論空燃比よりリッチ側に制御されるので、着火性は極めて良好となり、着火後の燃焼速度も極めて速い。所定の高負荷運転条件以外の所定の中低負荷運転条件では、燃費を向上させるため、適度な内部ＥＧＲ率に制御され、外部ＥＧＲが実施され、空燃比は理論空燃比に制御されるので、着火性は所定の高負荷運転条件のときよりも低くなり、着火後の燃焼速度も所定の高負荷運転条件のときより遅くなる。特に、中低負荷運転条件の中の特定の運転条件では、内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとを合わせた総ＥＧＲ率を極めて高く制御し、かつ、空燃比を理論空燃比に制御するか、空燃比を極めて大きく（例えば空燃比２０以上）制御するので、着火性は極めて低くなり、着火後の燃焼速度も極めて遅くなる。

なお、この発明は、上記のような内燃機関１に限定されず、種々の形式の火花点火式内燃機関に適用可能であり、例えば、筒内噴射式内燃機関であってもよい。

上記点火プラグ６には、比較的短い間隔でパルス状に電圧を印加することができる高電圧発生回路１６が接続されている。一つの例では、図５に示すような矩形波形となるユニポーラ型の高電圧発生回路１６が用いられる。本発明は、これに限定されず、図６に示すような矩形波形を出力するバイポーラ型の高電圧発生回路１６であってもよく、さらには、図７に示すような三角波形を出力するユニポーラ型の高電圧発生回路１６や、図８に示すような三角波形を出力するバイポーラ型の高電圧発生回路１６を用いることもできる。なお、各々の波形について、各図に示すように放電間隔Ｔが定義される。

また、点火プラグ６は、この実施例では、図４に示すように、点火プラグ６の栓体２３の中心に沿って延びた棒状をなす中心電極２１と、この中心電極２１と対向するようにＬ字形に延びた側方電極２２と、を備えた一般的な構成となっている。このような点火プラグ６の電極２１，２２の間に上記高電圧発生回路１６によって十分に高い電位差を与えると、絶縁破壊が生じ、電極２１，２２間で放電が起こる。特に、高電圧をパルス状に繰り返し印加することによって、放電が多数回繰り返し発生する。このような放電により、その放電経路にほぼ沿って発光現象が見られるが、本発明では、このように放電時に発光している経路を放電チャンネルと呼ぶ。なお、上記の電極２１，２２の構成では、中心電極２１の中心線に沿って両電極２１，２２の表面を結ぶ直線線分が２つの電極２１，２２の最短距離ｌｇとなる。

上記のように構成された点火装置においては、サイクルの１回の点火期間中に、点火プラグ６の電極２１，２２の間に繰り返し電圧が印加され、複数回の放電が行われる。特に、所定の中低負荷運転条件では、複数回の放電の放電間隔を比較的短く設定し、後述するように、点火プラグ６の電極２１，２２の間に活性種を継続的に維持し、点火を強化する。このとき、本実施例では、点火時期や機関の負荷などから定まる筒内圧の高低に応じて、繰り返し放電の態様が異なる形に制御される。なお、所定の高負荷運転条件では、複数回の放電の放電間隔を比較的長く設定し、点火強化を行わない。

図９の（ａ）は、点火時期における筒内圧が相対的に低い場合の繰り返し放電の態様を示しており、この場合は、図示するように、１回の点火期間Ｌの間、一定の放電電圧でもって繰り返し放電が行われる。なお、放電間隔Ｔも一定である。従って、点火プラグ６から筒内へ投入される時間当たりの放電エネルギは、１回の点火期間の間、一定である。筒内圧が低いときには、比較的低い電圧でも最初の絶縁破壊（飛び火）が生じ、かつ、その後も比較的低い電圧を適当な放電間隔Ｔで印加すれば放電を継続させることが可能であり、投入する総放電エネルギを低く抑えつつ、点火プラグ６の電極２１，２２の間に放電によって生じる活性種を継続的に維持し、効率よく混合気への点火を行うことができる。

これに対し、図９の（ｂ）は、点火時期における筒内圧が相対的に高い場合の繰り返し放電の態様を示しており、この場合は、図示するように、繰り返し放電における少なくとも１回目の放電電圧が高く与えられる。図示例では、初期の数回の放電で、放電電圧が高くなっている。筒内圧が高いときには、最初の絶縁破壊（飛び火）に比較的高い電圧が必要であるが、電極間で放電が生じると、混合気のガスと電子との衝突によって、ラジカルなどの活性種が生成され、局部的に抵抗が低下する。この活性種には寿命があり、比較的短時間でその作用が消滅するが、適当な放電間隔Ｔで繰り返し放電を行うことで、後続の放電は、比較的低い電圧でもって可能となる。従って、繰り返し放電の継続が可能であり、点火プラグ６の電極２１，２２の間に活性種を継続的に維持し、効率よく混合気への点火を行うことができる。

なお、上記実施例では、個々の放電の電圧を変更することで時間当たりの放電エネルギを変化させるようにしているが、図１０に例示するように、個々の放電の際の電流を変えることで、時間当たりの放電エネルギを変化させるようにしてもよい。

次に、筒内にタンブルやスワールなどのガス流動が存在する場合、特に、電極間の最短距離を結ぶ方向に対して直交するガス流動の存在下において、繰り返し放電によって、より確実な点火を行うようにした第２の実施例について説明する。

なお、本実施例においても、所定の中低負荷運転条件のとき、複数回の放電の放電間隔を比較的短く設定し、点火プラグ６の電極２１，２２の間に活性種を継続的に維持し、点火を強化する。また、所定の高負荷運転条件では、複数回の放電の放電間隔を比較的長く設定し、点火強化を行わない。

図１１は、第２の実施例の点火装置を備えた内燃機関１の一例を示している。この内燃機関１は、基本的に、図１に示した第１の実施例のものと同様であるが、各吸気ポート８に、燃焼室７内に積極的にガス流動（例えばスワールもしくはタンブル）を生成するためのガス流動制御弁１４が配置されている。このガス流動制御弁１４は、電動モータからなるアクチュエータ１５によって開度が制御されるものであり、吸気ポート８内の吸気流を片寄らせることで燃焼室７のスワールやタンブルを強化する。

なお、内燃機関１としては、例えば、筒内噴射式内燃機関であってもよく、またガス流動制御弁１４のようなガス流動を可変するデバイスを具備しない内燃機関にも本実施例は適用可能である。

上記燃焼室７には、ピストン２の上下動や吸気弁４を通した吸気の流入などによってガス流動が生成されるが、このガス流動は、混合気の火炎伝播を促進するために予め設計された強度を有し、ガス流動制御弁１４のようなデバイスを具備する場合でも、基本的に運転条件に応じて予め設計されたガス流動となるようにガス流動制御弁１４が制御されることになる。従って、ガス流動の強度は基本的に既知である。

このガス流動は、所定の中低負荷運転条件であって混合気の燃焼速度が比較的遅いときに安定燃焼が得られるようその強度が設定されている。ガス流動制御弁１４を具備する場合、所定の中低負荷運転条件のとき、ガス流動制御弁１４を所定開度に閉じてガス流動を強化する。特に、中低負荷運転条件の中の特定の運転条件（内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとを合わせた総ＥＧＲ率を極めて高く制御し、かつ、空燃比を理論空燃比に制御するか、空燃比を極めて大きく（例えば空燃比２０以上）制御する運転条件）では、ガス流動制御弁１４の開度をより閉じ側に制御してガス流動を最大限に強化する。なお、所定の高負荷運転条件では、吸入空気量を確保するため、ガス流動制御弁１４は全開とする。

図１２は、所定の中低負荷運転条件におけるガス流動の存在下での放電チャンネル（符号３１で示す）を示しており、ここでは、電極２１，２２の最短距離ｌｇを結ぶ方向に対して直交する方向にガス流動ｕが存在するものとする。図１２の（ａ）は、１回目の放電による放電チャンネルを示している。この図（ａ）に示すように、強いガス流動ｕがあったとしても、初回の放電ひいては放電チャンネルは、２つの電極２１，２２の最短距離ｌｇに沿って形成される。なお、この１回目の放電は混合気の絶縁破壊を引き起こすが、これは極短い時間であるので、形成される放電チャンネルへのガス流動の影響は無視できる程度に小さい。

このように放電が起きると、その放電チャンネルに沿って活性種が生成され、混合気中の抵抗が低下する。しかし、このように抵抗低下を生じる活性種は、ガス流動ｕの存在下では、ガス流動によって下流側に流される。従って、比較的短い期間ではあるが、２つの電極２１，２２の最短距離ｌｇに沿った混合気の抵抗よりも、最短距離ｌｇから下流側に存在する活性種に沿った混合気の抵抗の方が小さくなる期間が存在する。そのため、この期間の間に、２回目の高電圧の印加を行うと、図１２の（ｂ）に示すように、相対的に抵抗が低い経路に沿って放電が生じるため、最短距離ｌｇではなく下流側に膨らんだ曲線状の放電チャンネルが形成される。つまり、最短距離ｌｇよりも長い経路長を有する放電チャンネルが形成される。

この２回目の放電により生じる活性種も、やはりガス流動ｕの影響を受けて下流側に移動するので、同様に、図１２（ｂ）の放電チャンネルよりもさらに下流側での混合気の抵抗が、２つの電極２１，２２の最短距離ｌｇに沿った混合気の抵抗よりも一時的に低くなる。従って、この間に次の３回目の高電圧印加を行えば、図１２（ｂ）の放電チャンネルよりもさらに下流側に３回目の放電チャンネルが形成される。

このように、ガス流動ｕの存在下において活性種の寿命を考慮した十分に短い間隔で高電圧を印加すれば、放電チャンネルが徐々に下流側に拡がっていき、放電チャンネルの長さが延長されていく。このように長く成長した放電チャンネルは、火炎核の成長ならびに初期燃焼期間の短縮に寄与し、従って、所定の中低負荷運転条件であって点火プラグ６の電極２１，２２の間に存在する混合気の着火性が比較的低いとき、ガス流動ｕの存在下においてより確実な点火が得られる。なお、所定の高負荷運転条件のときは前述の通り点火強化を行わないが、これは、点火プラグ６の電極２１，２２の間に存在する混合気の着火性が十分に高い場合に放電チャンネルを延長させると、燃焼期間が過度に短くなってしまうためである。

図１３は、２回目の放電による放電チャンネルが１回目の放電による放電チャンネルよりも外側へ延長されるために必要な放電間隔（高電圧の印加の間隔）Ｔについて整理して示した特性図である。ここでは、図１４に示すように、ガス流動の速度をｕ[ｍ／ｓ]とし、電極２１，２２間の最短距離をｌｇ[ｍ]とし、この最短距離ｌｇに沿った混合気の抵抗をＲｇ[Ω]とし、活性種の影響により下流側に延長された放電経路に沿った混合気の抵抗をＲｄｃ[Ω]とする。また、活性種の寿命をτ[ｓ]とする。

下流側に延長された放電経路に沿った混合気の抵抗Ｒｄｃは、活性種の生成に伴って低下する一方、活性種の寿命により時間経過に伴って増加し、さらに放電経路（放電チャンネル）の経路長が長くなることに伴って増加する。図１３では、この抵抗Ｒｄｃを、最短距離ｌｇに沿った混合気の抵抗Ｒｇとの比、つまり無次元の抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）として評価する。また、放電間隔Ｔ[ｓ]については、同様に、活性種の寿命τ[ｓ]との比、つまり無次元の比（Ｔ／τ）として取り扱う。そして、ガス流動ｕ[ｍ／ｓ]についても、最短距離ｌｇ[ｍ]の大小による影響ならびに活性種の寿命τ[ｓ]による影響を考慮して、無次元のパラメータ（ｕτ／ｌｇ）として評価する。

このように整理すると、図１３に示すように、無次元化したガス流動（ｕτ／ｌｇ）毎に、放電間隔（Ｔ／τ）に対する抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）の値が得られる。ここで、２回目の放電による放電チャンネルが最短距離ｌｇよりも外側に延長されるためには、外側の放電経路に沿った混合気の抵抗Ｒｄｃが最短距離ｌｇに沿った混合気の抵抗Ｒｇよりも小さいこと、つまり抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）が１よりも小さいこと、を充足すればよい。従って、図１３において抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）が１よりも小さい領域にあるようにガス流動（ｕτ／ｌｇ）に対して放電間隔（Ｔ／τ）を設定すれば、２回目の放電による放電チャンネルが最短距離ｌｇよりも外側に延長される。このように放電チャンネルが延長されると、プラズマ体積が増大し、火炎核の成長ならびに初期燃焼期間の短縮が図れ、ガス流動の存在下においてより確実な点火が得られる。

ここで定義される電極２１，２２間の抵抗Ｒｇ，Ｒｄｃは、放電直前の混合気の抵抗である。特に、１回目の放電の際の抵抗は、絶縁破壊直前の抵抗であり、一般に、１００ｋΩないしそれ以上の大きさのものとなる。２回目およびそれ以降の放電の際には、混合気の中に、それ以前の放電による活性種が偏在し、燃焼室７の中で抵抗値の空間分布が発生している。この活性種濃度の空間分布によって、放電の際の混合気の抵抗が変化する。点火時期における点火プラグ６近傍のガス流動の強度は既知であるから、放電により生じる活性種の濃度とその抵抗率ならびに活性種の寿命を把握することで、ガス流動により下流側に流された放電経路の抵抗Ｒｄｃを予測することが可能である。

また、３回目以降の放電についても、同様となる。つまり、ｎ回目の放電の際に、下流側に流された放電経路の抵抗Ｒｄｃが最短距離ｌｇに沿った放電経路の抵抗Ｒｇよりも小さくなるように放電間隔Ｔを設定すれば、ガス流動ｕの下流側に拡がるように徐々に放電チャンネルが延長されていく。

図１５は、このように放電間隔Ｔを設定した場合の抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）と放電チャンネルの長さの時間経過に伴う変化を示している。この例では、２回目以降の放電の際に、抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）が１未満となり、ガス流動ｕにより下流側に移動した放電経路に沿って放電が起こる。そのため、放電チャンネルの長さは破線で示すように徐々に延長されていく。一方、このように放電経路が外側に延長される結果、ガス流動ｕによる活性種の拡散の影響と相俟って、放電回数の増加に伴い抵抗Ｒｄｃが徐々に増大していく。つまり、放電のたびに抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）が１に近づいていく。図示例では、３７回目の放電までは抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）が１未満であり、この３７回目まで放電チャンネルの延長が見られる。これにより、放電チャンネルの長さは、最終的に、電極２１，２２間の最短距離ｌｇの約８倍にまで延長される。これは、火炎核の拡大と初期燃焼期間の短縮とに大きく寄与する。

３８回目の放電の際には、最短距離ｌｇに沿った混合気の抵抗Ｒｇの方が下流側に迂回した放電経路の抵抗Ｒｄｃよりも小さくなるので、最短距離ｌｇに沿って放電が生じる。従って、この段階で、放電チャンネルの延長が終了する。なお、この図１５は、理解を容易にするために、放電チャンネルが最後まで延長されていくものと仮定して抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）を求めたシミュレーションによる図であり、３８回目以降も抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）が増大していくように描かれているが、実際には、放電チャンネルの長さが初期状態（最短距離ｌｇ）に戻ることで、抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）は再び小さくなり、また放電チャンネルも再び徐々に増加していくものと考えられる。

図１６は、放電間隔Ｔが大きく設定されて抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）が１未満とならない比較例の場合の特性を示している。この比較例では、２回目以降の放電の際に、抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）が１以上であり、最短距離ｌｇに沿った混合気の抵抗Ｒｇの方が下流側の放電経路に沿った抵抗Ｒｄｃよりも小さいので、２回目以降も最短距離ｌｇに沿って放電が起こる。従って、放電チャンネルの延長は生じない。なお、この図１６の抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）の特性も、やはり放電チャンネルが最後まで延長されていくものと仮定して抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）を求めたシミュレーションによるものであり、実際とは異なる。実際には、２回目以降、ほぼ一定の抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）となると考えられる。

図１５の横軸の時間と図１６の横軸の時間とは同一のスケールであり、図１５の例の放電間隔Ｔは、図１６の例の放電間隔Ｔの１／５に設定されている。

なお、理論的には放電間隔Ｔを小さくしていくほど放電チャンネルが長く成長することになるが、放電間隔Ｔの増加に伴って高電圧発生回路１６における各回の電圧が制限されてくるので、放電間隔Ｔには適当な下限が存在する。

次に、図１７および図１８は、点火プラグ６として、一方の電極の幅が他方の電極の幅よりも相対的に広い場合の放電チャンネルの形成について説明するものであり、図示例では、側方電極２２先端のチップ２２ａの幅が、中心電極２１の先端の幅に比べて相対的に大きなものとなっている。このような点火プラグ６を用いる場合、上述したように放電間隔Ｔを適宜に設定することでガス流動ｕの下流側に膨らんでいくｎ回目の放電チャンネル３１が、図１７のように、少なくとも幅が狭い方の電極２１よりも外側へ拡がって形成されることが望ましい。さらには、図１８のように、ｎ回目の放電チャンネルが、幅が広い方の電極２２よりも外側へ拡がって形成されることが望ましい。このように電極２１，２２よりも外側に膨らんで放電チャンネル３１が形成されると、相対的に温度が低い電極２１，２２による消炎作用つまり火炎核に対する冷却作用が低減し、火炎核の発達の上で有利となる。

なお、放電チャンネルをガス流動を利用して延長させようとする本発明のコンセプトは、点火プラグや電極の形状ないし構成に拘わらず、広く適用することが可能である。

上記のように、第２の実施例においては、ガス流動の存在下で繰り返し放電の放電間隔Ｔを適切なものとすることで、放電チャンネルを下流側へ延長させていくことができるが、本発明では、さらに、前述した実施例と同様に、点火時期における筒内環境（筒内圧など）に応じて、時間当たりの放電エネルギが調整される。例えば、個々の放電の電圧が、図９に示したように、筒内圧の高低に応じて変更される。これにより、筒内圧の高低に関わらず、効率よく点火を行うことができる。

次に、図１９に基づいて、放電間隔Ｔを一定とせずに、放電開始初期の区間では相対的に放電間隔Ｔを長くし、複数回の放電を経た区間では相対的に放電間隔Ｔを短くするようにした実施例について説明する。

前述したように、ガス流動ｕの存在下であっても、初回の放電ひいては放電チャンネルは、２つの電極２１，２２の最短距離ｌｇに沿って形成される。このように放電チャンネルが短い状況では、放電経路の抵抗Ｒｄｃが低く、従って比較的長い放電間隔Ｔであっても、ガス流動ｕにより徐々に放電チャンネルが下流側へ延長されていく。しかし、放電チャンネルが長くなると、延長された放電チャンネルに沿った放電経路の抵抗Ｒｄｃが高くなり、最短距離ｌｇに沿った放電経路の抵抗Ｒｇに近くなる。

図２０の比較例は、放電間隔Ｔを比較的大きく設定し、かつこの放電間隔Ｔを一定に維持したものであり、２回目の放電までは放電チャンネルが延長されていくが、３回目の放電で抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）が１に達してしまい、最短距離ｌｇに沿って放電が生じる。従って、放電チャンネルの延長作用は限られたものとなる。

一方、図２１の比較例は、図２０のものに比較して放電間隔Ｔを１／７に短く設定したものであり、抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）が１に達するまでに、より大きな放電チャンネルの延長が得られるが、放電回数が過度に多い。

図１９の実施例は、このような点を考慮して、放電間隔Ｔを放電回数ｎに伴って変化させるようにしたものであり、具体的には、１回目の放電から２回目の放電の間の初期の放電間隔Ｔは、図２０の比較例と同一であり、３回目の放電、４回目の放電と徐々に放電間隔Ｔを短くしていき、１５回目の放電から１６回目の放電の間の放電間隔Ｔおよびそれ以降は、初期の放電間隔Ｔの１／７（つまり図２１の比較例と同一の放電間隔Ｔ）の放電間隔Ｔとなるようにしている。

このように放電間隔Ｔを変化させることで、図２１の比較例と同様に、放電チャンネルの延長作用が十分に得られる。そして、放電チャンネルが最大に延長されるまでの放電回数が図２１の比較例に比べて少なくなり、繰り返しの放電による電極２１，２２の消耗が抑制される。例えば、図示例では、放電間隔Ｔが初期の１／７となるまでの区間における放電回数が、図２１の比較例に比べて１／４程度に削減される。

初回の放電からの放電回数ｎの増加もしくは時間経過に伴って、放電間隔Ｔをどのような態様で短くしていくか、については、種々の態様が可能である。

図２２〜図２４は、その一例を示しており、図２２の例では、時間経過もしくは放電回数ｎの増加に対し、放電間隔Ｔをステップ的に減少させていく。図２３の例は、放電間隔Ｔを連続的に減少させていく例である。図２４の例では、放電間隔Ｔを連続的に減少させていき、その後、一定に保ち、さらに再び連続的に減少させた後、一定に保つ、というサイクルを繰り返すようにしたものである。

次に、図２５〜図２８に基づいて、点火時期における筒内環境（内部ＥＧＲ率、外部ＥＧＲ率、空燃比など）に応じて、繰り返し放電の各々の放電における電流を変更するようにした実施例について説明する。

図２５および図２６は、基本的な繰り返し放電の態様に対応したものであり、この場合は、図２６に示すように、各放電の電流が一定の値に制御される。この結果、図２５に示すように、放電チャンネルがある長さまで延長される。図２６の制御は、特定の運転条件を除く所定の中低負荷運転条件のときに適用され、投入する総放電エネルギを比較的低く抑えた適度な点火強化が図られる。

これに対し、図２８は、ｎ−１回目の放電の放電電流に比べてｎ回目の放電の放電電流を高くするように制御したものであり、徐々に高くなっていく電流の上限として、所定の放電回数の後（例えば１５回目以降）は、１回目の放電電流の２倍の電流となるようにしている。前述したように、放電が起きると、その放電チャンネルに沿って活性種が生成され、混合気中の抵抗が低下するのであるが、放電時の電流が増大すると、発生する活性種が増大し、かつより長く維持される。従って、図２７に示すように、前述した抵抗比（Ｒｄｃ／Ｒｇ）の増加が抑制され、それだけ放電チャンネルが長く延長される。例えば、図示例では、図２５の例に比べて、放電チャンネルが２．５倍長くなる。図２８の制御は、特定の運転条件のときに適用され、点火プラグ６の電極２１，２２の間に存在する混合気の着火性が極めて低いときであっても、放電チャンネルの拡大による火炎核の拡大が図れ、初期燃焼期間の短縮を実現することができる。

６…点火プラグ
１６…高電圧発生回路
２１…中心電極
２２…側方電極
３１…放電チャンネル

Claims (10)

1. 各サイクルの１回の点火期間中に点火プラグの電極間に繰り返し電圧を印加して複数回の放電を生じさせ、混合気の点火を行う内燃機関の点火装置において、
   上記点火期間中の繰り返し放電による時間当たりの放電エネルギの時間に対する特性が、点火時期における筒内環境に応じて変化するように、点火時期における筒内圧が低いときは、繰り返し放電の各々の放電電圧がほぼ一定であり、筒内圧が高いときは、繰り返し放電における少なくとも１回目の放電電圧が高く与えられる、ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 内燃機関の運転条件が所定の中低負荷運転条件であるときに限り、上記電極間の最短距離を結ぶ方向に対して直交するガス流動の存在下で、ｎ回目の放電とその直前のｎ−１回目の放電との間の時間間隔を、ｎ回目の放電による放電チャンネルがｎ−１回目の放電による放電チャンネルに比較して上記ガス流動方向に沿って延長されたものとなるように設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. ２回目の放電と１回目の放電との間の時間間隔を、２回目の放電による放電チャンネルが１回目の放電による放電チャンネルに比較して上記ガス流動方向に沿って延長されたものとなるように設定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の点火装置。
4. 内燃機関の運転条件が所定の中低負荷運転条件であるときに限り、上記電極間の最短距離を結ぶ方向に対して直交するガス流動の存在下で、ｎ−１回目の放電により生じた活性種がガス流動で下流に流されてなる放電経路の抵抗が、上記最短距離を結ぶ経路の抵抗よりも低い間に、ｎ回目の放電を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
5. １回目の放電により生じた活性種がガス流動で下流に流されてなる放電経路の抵抗が、上記最短距離を結ぶ経路の抵抗よりも低い間に、２回目の放電を行うことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の点火装置。
6. 上記点火プラグの電極は、相対的に幅が狭い一方の電極と相対的に幅が広い他方の電極とを有し、ｎ回目の放電による放電チャンネルが、少なくとも幅が狭い方の電極よりも外側へ拡がって形成されることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の内燃機関の点火装置。
7. ｎ回目の放電による放電チャンネルが、幅が広い方の電極よりも外側へ拡がって形成されることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の点火装置。
8. 上記ｎの値が相対的に小さい区間に比較して、上記ｎの値が相対的に大きな区間では、ｎ−１回目の放電とｎ回目の放電との間の時間間隔が相対的に短く与えられることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の内燃機関の点火装置。
9. 各サイクルの１回の点火期間中に点火プラグの電極間に繰り返し電圧を印加して複数回の放電を生じさせ、混合気の点火を行う内燃機関の点火方法において、
   上記点火期間中の繰り返し放電による時間当たりの放電エネルギの時間に対する特性を、点火時期における筒内環境に応じて変化させるために、点火時期における筒内圧が低いときは、繰り返し放電の各々の放電電圧をほぼ一定とし、筒内圧が高いときは、繰り返し放電における少なくとも１回目の放電電圧を高く与える、ことを特徴とする内燃機関の点火方法。
10. 内燃機関の運転条件が所定の中低負荷運転条件であるときに限り、上記電極間の最短距離を結ぶ方向に対して直交するガス流動の存在下で、ｎ−１回目の放電により生じた活性種がガス流動で下流に流されてなる放電経路の抵抗が、上記最短距離を結ぶ経路の抵抗よりも低い間に、ｎ回目の放電を行うことを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の点火方法。

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