JP6886658B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、点火装置を備えたエンジンに関する。

従来から、点火プラグをエンジンの燃焼室に配設し、イグニッションコイルで発生させた電圧を中心電極と接地電極とで構成される電極部に印加し、該電極部の放電領域にてアーク放電させることにより、エンジンの燃焼室に供給された混合気を点火することが一般的によく知られている。

例えば、特許文献１には、主高圧電極及び主接地電極で構成される主電極と、補助高圧電極及び補助接地電極で構成される補助電極とを備えた点火装置が開示されている。特許文献１の点火装置においては、バッテリに接続された二次コイルの高圧電圧を補助電極に印加し、一定時間経過後にスイッチを切り換えることで高圧電圧を主電極に印加して火花放電を発生させる。

特開２００７−０３２３４９号公報

上記した特許文献１に開示された点火装置では、主接地電極及び補助接地電極がグラウンド（ＧＮＤ）に常時接続されている。このような構成の場合、火花放電を発生させるために必要となる主電極及び補助電極の電圧が比較的大きくなり、各電極に劣化が生じやすいという問題がある。

本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、その主たる技術課題は、点火装置を備えたエンジンであって、点火装置の劣化を抑制してその寿命を延長することができるエンジンを提供することにある。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、点火装置を備えるエンジンであって、前記点火装置は、中心電極と、前記中心電極に対応して設けられ、第１のスイッチを介して電源に接続されると共に、第２のスイッチを介してグラウンドに接続される接地電極と、前記第２のスイッチをＯＦＦにした状態で前記第１のスイッチをＯＮにして前記接地電極を電源に接続し前記接地電極の電位を上昇させる電位上昇制御を実施し、前記電位上昇制御を実施した後に前記接地電極の電位を上昇させた状態で前記中心電極と前記接地電極との間に電圧を印加して火花放電を発生させる制御部と、を備える、エンジンが提供される。

前記制御部は、前記電位上昇制御を実施すべく前記第１のスイッチをＯＮにした後、火花放電を発生させる前に、前記第１のスイッチをＯＮからＯＦＦにするように構成してもよい。

また、前記制御部は、前記電位上昇制御を実施すべく前記第１のスイッチをＯＮにした状態で火花放電を発生させるように構成されていてもよい。

さらに、前記制御部は、火花放電を発生させた後、前記第１のスイッチがＯＦＦにされた状態で前記第２のスイッチを所定時間ＯＮにするようにしてもよい。

本発明のエンジンは、点火装置を備える。該点火装置は、中心電極と、接地電極と、制御部と、を備える。接地電極は、中心電極に対応して設けられ、第１のスイッチを介して電源に接続される。制御部は、第２のスイッチを介してグラウンドに接続される接地電極と、第２のスイッチをＯＦＦにした状態で第１のスイッチをＯＮにして接地電極を電源に接続し接地電極の電位を上昇させる電位上昇制御を実施し、電位上昇制御を実施した後に接地電極の電位を上昇させた状態で中心電極と接地電極との間に電圧を印加して火花放電を発生させる。このような構成によれば、中心電極と接地電極とにより形成される放電領域の電界を火花放電が生じる前に強化することができる。その結果、中心電極と接地電極で構成される電極部の劣化を抑制することが可能になる。

本発明の一実施例に係るエンジンの模式図である。 図１に示すエンジンに配設された点火装置の概略構成を示すブロック図である。 第１実施例の点火制御における２次電圧、第１のスイッチ、及び第２のスイッチの変化を示すタイムチャートである。 第２実施例の点火制御における２次電圧、第１のスイッチ、及び第２のスイッチの変化を示すタイムチャートである。 第１実施例、第２実施例、及び従来技術の各々について混合気を点火した場合の圧力変化履歴を示す図である。

以下、本発明に基づき構成されたエンジンの第一実施例について添付図面を参照して、詳細に説明する。

図１には、点火装置２００が配設されたエンジン１００の構成を模式的に示している。ガスエンジン１００は、例えば、パイプラインから供給される都市ガスを燃料とするエンジンである。エンジン１００は、後述する燃焼室Ｍに燃料ガスＧと空気との混合気を供給し、点火プラグ２３０で点火する形式のエンジンである。

エンジン１００は、エンジン本体部１０と、吸気系統２０と、排気系統３０と、制御部としてのＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０及び点火プラグ２３０を含む点火装置２００と、を備えている。点火プラグ２３０は、中心電極２３１と、接地電極２３２とを有する。

エンジン本体部１０は、シリンダヘッド７０とシリンダブロック８０等から構成される。エンジン本体部１０は、複数の気筒１１を備えている。図１では、複数の気筒１１のうち１気筒のみ示している。各気筒１１は、吸気系統２０によって連通されると共に、排気系統３０によって連通されている。吸気系統２０は、シリンダヘッド７０に形成された吸気ポート２１と、吸気マニホールド２２とにより構成される。排気系統３０は、排気ポート排気ポート３１と、排気マニホールド３２とによって構成される。

吸気マニホールド２２には、ガスインジェクタ４２が設けられている。吸気系統２０の上流側には、インタークーラ、メインスロットル、及び過給機のコンプレッサ等（図示は省略する。）が配設される。排気系統３０における排気マニホールド３２の下流側には、過給機のタービン等（図示は省略する。）が配設されている。

ＥＣＵ５０は、点火装置２００に対して後述する点火制御を実施させると共に、空気流量としての吸気マニホールド圧力が目標吸気マニホールド圧力となるように、メインスロットル等を制御する機能を有しており、エンジン１００全体を制御する。

図１を参照しながら、さらにシリンダヘッド７０の構成について説明する。

シリンダヘッド７０は、シリンダブロック８０の上部に配設される。シリンダヘッド７０には、吸気バルブ７１と、排気バルブ７２と、後述する燃焼室Ｍに臨む点火プラグ２３０と、が設けられている。

気筒１１のシリンダ１２には、ピストンＰが摺動可能に収納される。気筒１１のシリンダ１２の内壁、シリンダヘッド７０の下面、及びピストンＰの頂部によって、燃焼室Ｍが形成されている。

吸気マニホールド２２には、ガスインジェクタ４２を介して燃料供給管４１が接続されると共に吸気マニホールド圧力センサ５４が配設される。燃料供給管４１には、燃料ガス圧力を検知する燃料ガス圧力センサ５５と、燃料ガス圧力調整器５６と、が配設されている。

エンジン１００には、さらに、エンジン回転数Ｎｅを検知するエンジン回転数センサ５１、エンジン出力Ｗを検知するエンジン出力センサ５２が配設されている。エンジン回転数センサ５１及びエンジン出力センサ５２は、ガスインジェクタ４２、燃料ガス圧力センサ５５、及び燃料ガス圧力調整器５６と共にＥＣＵ５０に接続されている。なお、ＥＣＵ５０には、上記したセンサ、装置に限定されず、種々のセンサ、装置が接続されていてもよい。

ＥＣＵ５０には、燃料噴射量マップが設定されている。燃料噴射量マップは、エンジン回転数Ｎｅと、エンジン出力Ｗと、燃料流量としての指令燃料噴射量Ｑとの相関を表すものであって、エンジン回転数Ｎｅ及びエンジン出力Ｗに対して指令燃料噴射量Ｑを決定するものである。ＥＣＵ５０は、指令燃料噴射量Ｑに基づいてガスインジェクタ４２を制御する。

ＥＣＵ５０には、さらに目標吸気マニホールド圧力マップが設定されている。目標吸気マニホールド圧力マップは、エンジン回転数Ｎｅと、エンジン出力Ｗと、目標吸気マニホールド圧力Ｐｉとの相関を表すものであって、エンジン回転数Ｎｅ及びエンジン出力Ｗに対して目標吸気マニホールド圧力Ｐｉを決定するものである。ＥＣＵ５０は、吸気マニホールド圧力が目標吸気マニホールド圧力Ｐｉとなるようにメインスロットルを制御する。

以上のような構成とすることで、ＥＣＵ５０は、燃料ガス圧力調整器５６及びガスインジェクタ４２、並びにメインスロットル等を制御して吸気マニホールド２２に燃料ガスＧと空気とを混合した混合ガスを供給する。混合ガスは、吸気マニホールド２２を介して燃焼室Ｍに供給され、点火プラグ２３０によって点火される。

図１に加え、図２を参照しながら、点火装置２００についてさらに説明する。

点火装置２００は、上記したＥＣＵ５０と、点火プラグ２３０とを含んで構成される。
点火プラグ２３０は、気筒１１に配設される。

図２に示すように、点火装置２００は、一次コイル２４１、二次コイル２４２、コア２４３からなるイグニッションコイル、及びイグナイタ２４４を備えている。一次コイル２４１は、コア２４３に巻き回される。一次コイル２４１の一端部は電源２４５に接続され、１次コイル２４１の他端部はイグナイタ２４４に接続される。二次コイル２４２は、コア２４３に巻き回される。二次コイル２４２の一端部は一次コイル２４１に接続されており、二次コイル２４２の他端部は中心電極２３１の端子２３１ａに接続されている。

イグナイタ２４４は、例えば、トランジスタから構成され、上記したＥＣＵ５０からの通電信号によって、一次コイル２４１に対する電源２４５からの電力の供給、供給停止を切り換える。なお、上記した高電圧印加部２４０は、点火プラグに電圧を印加する回路として一般的に知られた回路であり、種々の変形例を想定することができる。例えば、本実施例では、イグナイタ２４４をトランジスタにより構成されたものとしたが、これに限定されず、ポイント（接点）式のディストリビューター（分配器）等で置き換えることも可能である。

点火装置２００は、電源２５１と、第１のスイッチ２５２と、第２のスイッチ２５３とをさらに備えている。点火プラグ２００の接地電極２３２は、第１のスイッチ２５２を介して電源２５１に接続される。第１のスイッチ２５２は、電源２５１と接地電極２３２との接続、及び遮断を行う。接地電極２３２は、第２のスイッチ２５３を介してＧＮＤに接続される。第２のスイッチ２５３は、接地電極２３２とＧＮＤとの接続、及び遮断を行う。第１のスイッチ２５２、及び第２のスイッチ２５３は、高速度応答が可能で高電圧に対応したものであることが好ましい。第１のスイッチ２５２、及び第２のスイッチ２５３は、ＥＣＵ５０からの指示信号により作動するものであり、予め定められた適宜のタイミングで制御される。

図１に示されているとおり、点火プラグ２３０は、ねじ部２３３を備えている。ねじ部２３３は、シリンダヘッド７０に形成された取り付け孔７３に点火プラグ２３０を取り付けるために用いられる。

上記した点火装置２００において実施される点火制御について図３を参照しながら以下に説明する。なお、図３（ａ）はイグニッションコイルからの２次電圧の変化を示し、図３（ｂ）は第１のスイッチ２５２のＯＮ／ＯＦＦ状態を示し、図３（ｃ）は第２のスイッチ２５３のＯＮ／ＯＦＦ状態を示している。

点火プラグ２３０で火花放電を発生させるに際し、ＥＣＵ５０は、接地電極２３２の電位上昇制御を実施する。具体的には、まず、図３（ｂ）に示すように、第２のスイッチ２５３をＯＦＦにした状態で、ＥＣＵ５０からの指示信号により接地電極電圧印加部２５０の第１のスイッチ２５２を所定の時間ＯＮにする。その後、電圧を点火プラグ２３０に印加して火花放電させる前に、第１のスイッチ２５２をＯＦＦにする（図３（ｂ）を参照。）。このようにして、接地電極２３２に対する電位上昇制御が実施され、中心電極２３１と接地電極２３２とにより形成される電界が強化された状態が維持される。

上記した電位上昇制御と並行して、エンジンの運転状態によって決定される点火時期を考慮したタイミングで、ＥＣＵ５０からイグナイタ２４４に通電信号が送られる。これにより、電源２４５から１次コイル２４１に電流が供給されて、コア２４３の周囲に磁界を形成する。上述したとおり、第１のスイッチ２５２がＯＦＦにされた後であっても、中心電極２３１と接地電極２３２とにより形成される電界が強化された状態が持続している。この状態で、ＥＣＵ５０は、イグナイタ２４４に対する通電信号をＯＦＦにする。これにより、電源２４５から１次コイル２４１に対する通電が停止される。１次コイル２４１に対する通電が停止されることで、２次コイル２４２側に相互誘導作用による起電力が生じ、図３（ａ）に示すように負極性の２次電圧が生じる。この２次電圧が生じるタイミングを図３においてＳＴで示す。そして、この２次電圧により中心電極２３１と接地電極２３２との間で形成される放電領域に電圧が印加され、図３にてＢＤで示すタイミングで火花放電が生じ、燃焼室Ｍにおいて圧縮された混合気が点火される。火花放電が生じた後、第２のスイッチ２５２を所定時間ＯＮにすることで（図３（ｃ）を参照。）、接地電極２３２をＧＮＤに接続し、接地電極２３２の電位を初期状態（０Ｖ）にする。第２のスイッチ２５２をＯＮにする時間は、例えば、ＥＣＵ５０に予め記憶されている。特に限定されるものではないが、第２のスイッチ２５２をＯＮにする時間は、１〜１０ｍｓｅｃとすることができる。このような点火制御を各気筒１１の点火タイミングに合わせて繰り返し実施する。

本実施例では、点火プラグ２３０による火花放電を生じさせる前に、予め接地電極２３２の電位を上昇させる電位上昇制御が実施され、中心電極２３１と接地電極２３２との間に形成される放電領域の電界が強化されている。これにより、点火プラグ２３０において火花放電を生じさせるための２次電圧を従来技術に比して低下させることができ、その結果、中心電極２３１、及び接地電極２３２の劣化を抑制することが可能になる。

本発明は、上記した第１実施例に示した構成に限定されず、種々の変形例を想定することができる。以下に第２実施例について説明する。

第２実施例は、図１、及び図２に示すエンジン１００、並びに点火装置２００の構成を使用する点で第１実施例と共通しており、共通する点についてはその説明を省略する。第２実施例は、第１のスイッチ２５２、第２のスイッチ２５３に対するＥＣＵ５０からの指示信号のタイミングが第１実施例と相違する。ここでは、主に第１実施例との相違点について図２、及び図４を参照しながら説明する。

第２実施例では、点火プラグ２３０に高電圧を印加するに際し、まず、ＥＣＵ５０からの指示信号により第１のスイッチ２５２をＯＮとして、該ＯＮ状態を維持することで、接地電極２３２の電位を高く維持する電位上昇制御が実施される（図４（ｂ）を参照。）。このとき、第２のスイッチ２５３はＯＦＦの状態となっている。これにより、中心電極２３１と接地電極２３２とにより形成される放電領域の電界が第１実施例よりもさらに強化された状態となる。

中心電極２３１と接地電極２３２とにより形成される電界が強化された状態で、ＥＣＵ５０からイグナイタ２４４に通電信号が送られる。ＥＣＵ５０は、エンジンの運転状態によって決定される点火時期を考慮したタイミングで、イグナイタ２４４への通電信号を送信する。ＥＣＵ５０からイグナイタ２４４に通電信号が送られると、電源２４５から１次コイル２４１に電流が供給され、コア２４３の周囲に磁界を形成する。そして、所定時間経過した後、図４にＳＴで示すタイミングで、ＥＣＵ５０はイグナイタ２４４に対する通電信号をＯＦＦにする。これにより、電源２４５から１次コイル２４１に対する通電が停止される。１次コイル２４１に対する通電が停止されることで、２次コイル２４２側に相互誘導作用による起電力が生じ、図４（ａ）に示すように、負極性の２次電圧が生じる。そして、この２次電圧により中心電極２３１と接地電極２３２間で形成される放電領域に図４にてＢＤで示すタイミングで火花放電が生じ、燃焼室Ｍにおいて圧縮された混合気が点火される。そして、火花放電が生じた後、第１のスイッチ２５２をＯＦＦにすると共に、第２のスイッチ２５３を所定時間ＯＮにして、接地電極２３２をグラウンドに接続し、接地電極２３２の電位を初期状態（０Ｖ）にする。本実施例では、第１のスイッチ２５２がＯＦＦになると同時に第２のスイッチ２５３がＯＮになっているが、第１のスイッチ２５２ＯＦＦになった後、第２のスイッチ２５３がＯＮになってもよい。すなわち、第１のスイッチ２５２がＯＦＦにされた状態で、第２のスイッチ２５３が所定時間ＯＮとなればよい。

第２実施例においても、第１実施例と同様に点火プラグ２３０による火花放電を生じさせる前に、予め接地電極２３２の電位を上昇させる電位上昇制御が実施され、中心電極２３１と接地電極２３２との間で形成される放電領域の電界が強化される。さらに、第２実施例では、火花放電を生じさせるタイミングを挟んで、第１のスイッチ２５２のＯＮ状態が維持されるため、火花放電後も接地電極２３２の電位が高い状態で維持され、放電領域の電界がより強化された状態で維持される。よって、点火プラグ２３０において火花放電を生じさせるための２次電圧を従来技術に比してさらに低下させることができ、その結果、中心電極２３１、接地電極２３２の劣化を抑制することが可能になる。

点火装置２００によって混合気を点火させた場合の燃焼室Ｍ内の圧力変化履歴に及ぼす影響について、図５に基づき説明する。図５に示すデータは、所定の容積を有する密閉容器に当量比０．７の混合気を充填し、該容器内圧を１ＭＰａとした状態で点火させた場合の容器内の圧力変化履歴を示すものである。図中点線は、電位上昇制御を実施しない従来の点火装置（従来例）によって火花放電をさせた場合の容器内の圧力変化履歴を示している。実線は、上述した第１実施例の点火制御によって火花放電をさせた場合の容器内の圧力変化履歴を示し、一点鎖線は、第２実施例の点火制御によって火花放電をさせた場合の容器内の圧力変化履歴を示している。なお、図５では、火花放電が生じた点火タイミング（０ｍｓ）を揃え、その後の容器内の圧力変化履歴を比較している。

図５から理解されるように、実線で示す第１実施例の点火制御によれば、従来例に比べ、火花放電後の圧力の上昇が早められる。これは、火花放電が発生させられる前に、中心電極２３１と接地電極２３２間の電界が強化されており、混合気が点火されて燃焼が進行するときに電界が強化された状態が維持されていることで、初期火炎核の形成が促進されて混合気の燃焼が良好に進行し、燃焼期間が短縮されたことを示している。

一点鎖線で示す第２実施例の点火制御によれば、第１実施例に比べて、さらに、圧力の上昇が早められ、燃焼期間がより短縮されている。これは、第２実施例の点火制御では、第１のスイッチ２５２のＯＮ状態が火花放電の発生前から発生後に亘って維持され、火花放電時、及びその後の燃焼期間における放電領域の電界がより強化されたことによるものと推察される。

本発明は、上記した実施例に限定されることなく、本発明の技術的範囲に含まれる限り、種々の変形例を含むことができる。上記した第１、及び第２実施例は、いずれもパイプラインから供給される都市ガスを燃料とするガスエンジンに適用した例を示したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、ＣＮＧやＬＮＧを燃料とする他のガスエンジン、又はガソリンエンジン等、火花放電によって燃料に点火するエンジンであれば、いずれのエンジンにも適用することが可能である。

１０：エンジン本体部
１１：気筒
２０：吸気系統
２１：吸気ポート
２２：吸気マニホールド
３０：排気系統
３１：排気ポート
３２：排気マニホールド
４１：燃料供給路
４２：ガスインジェクタ
５０：ＥＣＵ（制御部）
７０：シリンダヘッド
８０：シリンダブロック
２００：点火装置
２３０：点火プラグ
２３１：中心電極
２３２：接地電極
２５１：電源
２５２：第１のスイッチ
２５３：第２のスイッチ

Claims (4)

1. 点火装置を備えるエンジンであって、
   前記点火装置は、
   中心電極と、
   前記中心電極に対応して設けられ、第１のスイッチを介して電源に接続されると共に、第２のスイッチを介してグラウンドに接続される接地電極と、
   前記第２のスイッチをＯＦＦにした状態で、前記第１のスイッチをＯＮにして前記接地電極を前記電源に接続し前記接地電極の電位を上昇させる電位上昇制御を実施し、前記電位上昇制御を実施した後に前記接地電極の電位を上昇させた状態で前記中心電極と接地電極との間に電圧を印加して火花放電を発生させる制御部と、
   を備える、エンジン。
2. 前記制御部は、前記電位上昇制御を実施すべく前記第１のスイッチをＯＮにした後、火花放電を発生させる前に前記第１のスイッチをＯＮからＯＦＦにする、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記制御部は、前記電位上昇制御を実施すべく前記第１のスイッチをＯＮにした状態で火花放電を発生させる、請求項１に記載のエンジン。
4. 前記制御部は、火花放電を発生させた後、前記第１のスイッチがＯＦＦにされた状態で前記第２のスイッチを所定時間ＯＮにする、請求項２又は３に記載のエンジン。

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