(57)【要約】【課題】点火プラグによる火花放電と燃焼室内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火するにあっては、例えば冷間始動時などにおいて、プラズマを生成するまでに時間がかかることがあり、その間に未燃ＨＣなどを排出する可能性が生じた。【解決手段】燃焼室内に火花放電を発生させる点火プラグを備える火花点火式内燃機関の燃料の供給を停止してクランキングを所定時間実行し、所定時間の経過後に点火プラグによる火花放電と燃焼室内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に火花放電を発生させる点火プラグを備える火花点火式内燃機関の燃料の供給を停止してクランキングを所定時間実行し、
所定時間の経過後に点火プラグによる火花放電と燃焼室内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の燃焼制御方法。
【請求項２】
所定時間が、プラズマを生成するマイクロ波発生器の予熱時間に基づいて設定する請求項１記載の火花点火式内燃機関の燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより混合気に着火する火花点火式内燃機関の燃焼制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、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あって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。
【０００３】
このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献１に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。
【特許文献１】特開２００７‐３２３４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば大気圧下などでプラズマを生成する方法として、マグネトロンを用いるものが考えられている。このような、マグネトロンを用いる場合、通電後、マグネトロンが作動するまでに時間遅れがある。これは、マグネトロンが、陰極部を加熱した後にしか作動しないことに起因している。
【０００５】
このため、このようなマグネトロンを内燃機関特には自動車に搭載するものに対して使用する場合、イグニションキーを操作してから内燃機関が始動するまでに、マグネトロンが作動するまでのプラズマが生成されていない状態で、点火プラグによる火花放電のみで着火し燃焼が始まることになる。この場合に、プラズマが存在しないことにより、プラズマが存在する場合より燃焼が低下する。その結果、プラズマが生成されるまでの間に、未燃焼ガスを比較的多く含んだ排気ガスが排出される恐れが生じた。
【０００６】
そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明の火花点火式内燃機関の燃焼制御方法は、燃焼室内に火花放電を発生させる点火プラグを備える火花点火式内燃機関の燃料の供給を停止してクランキングを所定時間実行し、所定時間の経過後に点火プラグによる火花放電と燃焼室内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火することを特徴とする。
【０００８】
このような構成によれば、火花点火式内燃機関がクランキングしている所定時間の間は、燃料の供給を停止しているので、未燃ＨＣ（炭化水素）を含む排気ガスの排出が抑制される。そして、所定時間の経過後は火花放電とプラズマとを反応させて混合気に着火することにより、燃焼速度が高くなって始動性を向上させることが可能になる。
【０００９】
以上の構成において、所定時間は、プラズマを生成するマイクロ波発生器の予熱時間に基づいて設定することが望ましい。このように所定時間を設定することにより、最短の時間でプラズマと火花点火とを反応させての着火に移行することができる。
【００１０】
本発明においては、マイクロ波発生器としては、マグネトロンや進行管などを含むマイクロ波管、及び半導体を使用したマイクロ波発振回路を含むマイクロ波発生装置などが上げられる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、以上説明したような構成であり、始動時のクランキング中の未燃ＨＣの排出を抑制することができるとともに、その後は火花放電とプラズマとを反応させて混合気に着火させるので、早い燃焼速度により始動性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１に１気筒の構成を概略的に示したエンジン１００は、自動車用の３気筒のものである。エンジン１００の吸気系１には、図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、そのスロットルバルブ２の下流にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３が連通するシリンダヘッド４側の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、この燃料噴射弁５を電子制御装置６により制御するようにしている。そして、燃焼室７の天井部分には、点火プラグ８及びプラズマを生成するためのアンテナ９が取り付けてある。この実施形態におけるアンテナ９は、ホーン型アンテナで、燃焼室７の天井の点火プラグ８の近傍位置に取り付けられている。点火プラグ８には、イグナイタを一体に備える点火コイル１０が交換可能に取り付けられている。アンテナ９は、ホーン形状をしており、燃焼室７に面する先端部分はセラミックスなどの誘電体２７により塞がれており、高圧交流発生装置１１に図示しない導波管を介して接続されている。また、排気系１２には、図示しないマフラに至るまでの管路に三元触媒（以下、触媒１３と称する）が配設され、その上流にはＯ2センサ１４が取り付けられている。
【００１４】
高圧交流発生装置１１は、マグネトロン１５とマグネトロン１５を制御する制御回路１６とを備えてなる。マグネトロン１５が出力するマイクロ波は、導波管によりアンテナ９に印加される。又、制御回路１６には、電子制御装置６から出力される高圧交流発生信号ｎが入力される構成で、制御回路１６は、入力される高圧交流発生信号ｎに基づいてマグネトロン１５が出力するマイクロ波の出力時期及び出力電力を制御するものである。
【００１５】
電子制御装置６は、中央演算処理装置１８と、記憶装置１９と、入力インターフェース２０と、出力インターフェース２１とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。中央演算処理装置１８は、記憶装置１９に格納された後述のプログラムを実行して、エンジン１００の運転制御を行うものである。
【００１６】
そしてエンジン１００の運転制御を行うために必要な情報が入力インターフェース２０を介して中央演算処理装置１８に入力されるとともに、中央演算処理装置１８は出力インターフェース２１を介して制御のための信号を燃料噴射弁５などに出力する。具体的には、入力インターフェース２０には、サージタンク３内の吸入空気の圧力を検出するための吸気圧センサ２２から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出するための回転数センサ２３から出力される回転数信号ｂ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ２４から出力されるＩＤＬ信号ｃ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ２５から出力される水温信号ｄ、エンジン１００が吸入する新気の温度を検出するための吸気温センサ２６から出力される吸気温信号ｅ、燃焼室７から排気弁を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を検出するためのＯ2センサ１４から出力される電圧信号ｆなどが入力される。一方、出力インターフェース２１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｐ、イグナイタ１０に対して点火信号ｍ及び高圧交流発生装置１１に対して高圧交流発生信号ｎなどが出力されるようになっている。
【００１７】
電子制御装置６には、吸気圧センサ２２から出力される吸気圧信号ａと回転数センサ２３から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間を補正して燃料噴射弁５の開成時間、すなわちインジェクタ最終通電時間を決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を該燃料噴射弁５から吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。
【００１８】
このエンジン１００にあっては、始動後の通常運転状態では高圧交流発生装置１１が発生するマイクロ波をその出力時期に合わせてアンテナ９から燃焼室７内に放射し、それにより生成されるプラズマと点火プラグ８による火花放電とを反応させて、混合気に着火するように構成されている。プラズマを生成する場合、マイクロ波がアンテナ９に印加されることにより、燃焼室７内には、点火プラグ８による火花放電に対して直交する方向に高周波電界が形成される。
【００１９】
点火に際しては、点火プラグ８に点火コイル（図示しない）により火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室７内の混合気を急速に燃焼させる構成である。
【００２０】
具体的には、点火プラグ８による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。
【００２１】
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、高周波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、飛躍的に火炎が大きくなるものである。
【００２２】
この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電により混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ８のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室７内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。
【００２３】
これに対して、始動時、詳細にはクランキング時にあっては、以下に説明するように、燃料の供給を停止してクランキングを所定時間実行し、所定時間の経過後に点火プラグ８による火花放電と燃焼室７内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火するエンジン１００の制御プログラムが格納してある。この制御プログラムにあっては、所定時間を、プラズマを生成するマイクロ波発生器たる高圧交流発生装置１１に含まれるマグネトロン１５の予熱に要する時間、つまり通電後マイクロ波を出力するまでに要する時間に基づいて設定する構成である。
【００２４】
以下、この内燃機関１００の制御の概略手順を、図２に示すフローチャートにより説明する。
【００２５】
まず、ステップＳ１では、イグニションスイッチが操作されて電子制御装置６に入力されるスタータオン信号に基づいて、エンジン１００の始動が要求されたか否かを判定する。スタータオン信号が入力されない場合は、始動でないと判定してこの制御プログラムを終了する。スタータオン信号を受信した場合、電子制御装置６は、高圧交流発生装置１１に制御信号を出力して、制御回路１６が作動することによりマグネトロン１５への通電を開始し、マグネトロン１５の陰極部を予熱する。
【００２６】
ステップＳ２では、スタータオンつまりクランキングの開始と同時に経過時間の計測を開始し、同時に燃料の噴射を停止する。この場合、燃料の噴射を停止するとは、燃料を噴射すること自体を停止することであり、一旦噴射した燃料の噴射を停止することではない。つまり、燃料は、始動時のエンジン１００の状態、例えば冷却水温などに基づいて噴射量を計算して噴射が可能な状態であるが、実際には噴射しない。なお、仮にこのマグネトロン１５が作動するまでの期間に燃料を噴射した場合は、以下の理由により、良好な燃焼状態を得られない。すなわち、このエンジン１００は、プラズマと点火プラグ８における火花放電とを反応させて混合気を着火するものであり、点火時期はその場合に最適な点火時期となるように設定してある。つまり、点火時期はプラズマを使用しない他のエンジンの通常の点火時期と比較した場合、異なっている。したがって、プラズマを生成していない場合には例えばＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ａｄｖａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｂｅｓｔ  Ｔｏｒｑｕｅ）又はその近傍の最適な点火時期とはならず、良好な燃焼状態とはなりがたい。その結果、排気ガス規制物質の量が増加したり、未燃ＨＣを排出する可能性が生じる。
【００２７】
次に、ステップＳ３では、スタータオン信号を受信してからの経過時間が所定時間以上になったか否かを判定する。経過時間が所定時間未満の場合は、ステップＳ２に戻って、燃料の噴射を停止することを継続する。このステップＳ３及びステップＳ２を実行している間は、マグネトロン１５は予熱中であるので、燃焼室７にはプラズマは生成されない。また、このステップＳ３及びステップＳ２を実行している間は、燃料の噴射は停止するが、点火プラグ８への通電は、始動時及び暖機後の運転の場合と同様に、各気筒の点火時期に対応して実施される。
【００２８】
ステップＳ３において、経過時間が所定時間以上であると判定した場合はステップＳ４に進み、燃料の噴射を開始する。これにより、実質的なクランキングが始まり、実質的にエンジン１００を始動する。
【００２９】
以上の構成において、イグニションスイッチを操作することで、エンジン１００の始動を開始すると、点火プラグ８への通電は点火時期に応じて行うものの、燃料の噴射を停止するので、所定時間が経過するまではクランキング中に燃焼が生じることはない。その結果、排気ガスも未燃ＨＣも排出されない。その一方で、燃料供給のない状態でのクランキングを継続するので、吸入された空気は圧縮行程において圧縮される。このように、吸入される空気を圧縮行程において圧縮することにより、空気の温度が上昇し、その結果シリンダ内が加熱され、所定時間経過後の燃料噴射において燃料の霧化を促進するものとなる。
【００３０】
そして、ステップＳ４における燃料の噴射を開始した後は、点火プラグ８における火花放電とプラズマとが反応し、拡大された着火領域に着火して、混合気に急速に燃焼が進行するものである。それゆえ、燃料の噴射を開始した後は、始動が加速されるので、燃料の噴射を停止している間の遅延は問題とはならない。
【００３１】
したがって、始動の開始から、排気ガス規制物質間などの増加を抑制することができる。また、燃料噴射後はプラズマの作用により燃焼が良好になるので、始動性が改善され円滑な始動を実現することができる。
【００３２】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００３３】
上述の所定時間は、冷間始動時に対応して設定される一種類のものに限定せずに、暖機運転が終了した後の再始動時を考慮して設定するものであってよい。マグネトロン１５は、その陰極部の温度に応じて、予熱に要する時間を短縮することが可能である。つまり一旦使用した後にあっては、外部温度が低い環境において初めて使用する場合に比べて、マグネトロン１５の陰極部の温度は高いものである。したがって、エンジン温度、例えば冷却水温に対応して所定時間を複数設定するものであってもよい。この場合、冷却水温が高いほど、所定時間を短くするものである。
【００３４】
上述の実施形態においては、ホーン型のアンテナ９を点火プラグ８の近傍位置に取り付けるものを説明したが、ホーンの中心軸を点火プラグ８の火花放電位置、つまり中心電極と接地電極とのギャップに向けて配置するものであってもよい。
【００３５】
マイクロ波を放射するアンテナとしてホーン型アンテナを説明したが、ホーン型アンテナに代えてモノポール型アンテナを用いるものであってもよい。この場合、モノポール型アンテナは、高圧交流発生装置１１とは同軸ケーブルにより電気的に接続されるものである。モノポール型アンテナは、上述したように、点火プラグ８に近傍に取り付けるものであってよい。
【００３６】
さらには、点火プラグ８の中心電極をアンテナとして機能させて、高周波給電部とするものであってもよい。この場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。
【００３７】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
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内燃機関に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態の概略構成を示す構成説明図。
【図２】同実施形態の制御手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４０】
６…電子制御装置
７…燃焼室
８…点火プラグ
１５…マグネトロン
１８…中央演算処理装置
１９…記憶装置
２０…入力インターフェース
２１…出力インターフェース
【図１】
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【図２】
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