(57)【要約】【課題】チャンバ内のガスをプラズマ化させるのに絶縁体の側壁内面上の沿面放電と気中放電とを併用するプラズマ点火装置において、電極消耗時の混合気の着火遅れに伴う出力低下を抑制する。【解決手段】中心電極３と接地電極４との間に電圧を印加して、最初に絶縁体側壁２の内面上の沿面放電Ｓ１を発生させ、次いで気中放電Ｓ２を発生させることにより、チャンバ１内のガスをプラズマ化させ、チャンバ内で発生させた高温高圧のプラズマをプラズマジェットＰとしてチャンバと気筒内とを連通する噴孔５から噴射するプラズマ点火装置において、混合気の着火遅れに伴う出力低下が発生していると判断された時には、気中放電のための中心電極と接地電極との間の電圧印加を中止すると共に、沿面放電開始時期を進角する。【選択図】図１
2010209837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体側壁により形成されたチャンバと、チャンバの一端側に配置された中心電極と、チャンバの他端側に配置された接地電極とを具備し、前記中心電極と前記接地電極との間に電圧を印加して、最初に前記絶縁体側壁の内面上の沿面放電を発生させ、次いで気中放電を発生させることにより、前記チャンバ内のガスをプラズマ化させ、前記チャンバ内で発生させた高温高圧のプラズマをプラズマジェットとして前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔から噴射するプラズマ点火装置において、混合気の着火遅れに伴う出力低下が発生していると判断された時には、前記気中放電のための前記中心電極と前記接地電極との間の電圧印加を中止すると共に、沿面放電開始時期を進角することを特徴とするプラズマ点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において、点火装置により気筒内全体の均質混合気又は気筒内の一部に存在する混合気を確実に着火させなければならない。しかしながら、点火ギャップに火花を発生させる一般的な点火装置は、混合気の一点を着火させるものであり、それほど高い着火性を有してはいない。
【０００３】
着火性に優れた点火装置として、プラズマジェットを噴射するプラズマ点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。プラズマ点火装置は、絶縁体側壁により形成されたチャンバと、チャンバの一端側に配置された中心電極と、チャンバの他端側に配置された接地電極とを具備し、中心電極と接地電極との間に電圧を印加して発生させた放電によってチャンバ内のガスをプラズマ化させ、こうしてチャンバ内で発生させた高温高圧のプラズマをプラズマジェットとしてチャンバと気筒内とを連通する噴孔から噴射するものであり、噴射直後の比較的大きな表面積を有する略円筒状のプラズマジェットと接触する部分において混合気を同時に着火させることとなるために、高い着火性を提供することができる。
【０００４】
チャンバ内にプラズマを発生させるための放電としては、絶縁体側壁の内面上の沿面放電と、気中放電とがあるが、気中放電に比較して沿面放電は放電開始電圧が低いために、最初は沿面放電を発生させ、沿面放電近傍のガス（混合気）をプラズマ化することにより比較的低い電圧での気中放電を可能とし、次いで大電流の気中放電を発生させる。こうして、高い放電開始電圧を必要とすることなく、また、大電流の沿面放電を実施して絶縁体を破損させることもなく、チャンバ内の大部分のガスをプラズマ化させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−０６６２３６
【特許文献２】特開２００８−１２１４６２
【特許文献３】特開２０００−０１８１４１
【特許文献４】特開２００８−２３２１２２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなプラズマ点火装置において、中心電極及び接地電極は、特に大電流の気中放電時のジュール熱によって徐々に消耗するために、中心電極と接地電極との間の放電距離が徐々に長くなって、沿面放電を発生させることはできても良好な気中放電を発生させることができなくなる。それにより、十分な量のプラズマを噴射することができなくなれば、混合気の着火遅れが発生して機関出力を低下させる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、チャンバ内のガスをプラズマ化させるのに絶縁体の側壁内面上の沿面放電と気中放電とを併用するプラズマ点火装置において、電極消耗時の混合気の着火遅れに伴う出力低下を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置は、絶縁体側壁により形成されたチャンバと、チャンバの一端側に配置された中心電極と、チャンバの他端側に配置された接地電極とを具備し、前記中心電極と前記接地電極との間に電圧を印加して、最初に前記絶縁体側壁の内面上の沿面放電を発生させ、次いで気中放電を発生させることにより、前記チャンバ内のガスをプラズマ化させ、前記チャンバ内で発生させた高温高圧のプラズマをプラズマジェットとして前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔から噴射するプラズマ点火装置において、混合気の着火遅れに伴う出力低下が発生していると判断された時には、前記気中放電のための前記中心電極と前記接地電極との間の電圧印加を中止すると共に、沿面放電開始時期を進角することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置によれば、混合気の着火遅れに伴う出力低下が発生していると判断された時には、中心電極又は接地電極の消耗により良好な気中放電を発生させることができずに、主に沿面放電により発生させた僅かな量のプラズマが噴孔から噴出されて気筒内の混合気を着火させているために、気中放電のための中心電極と接地電極との間の電圧印加を中止して不必要な電力消費を防止すると共に、沿面放電開始時期を進角して沿面放電により発生させたプラズマによる混合気の着火遅れを改善することにより出力低下を抑制するようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明によるプラズマ点火装置の実施形態を示す概略縦断面図である。
【図２】電極消耗時の混合気の着火遅れに伴う出力低下を抑制するための本発明によるプラズマ点火装置の点火制御を示す第一フローチャートである。
【図３】電極消耗時の混合気の着火遅れに伴う出力低下を抑制するための本発明によるプラズマ点火装置が取り付けられた内燃機関の制御を示す第二フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明によるプラズマ点火装置の実施形態を示す概略縦断面図である。同図において、１はプラズマ点火装置の軸線方向に延在するように絶縁体２の側壁により形成されてプラズマを生成する円筒状のチャンバであり、３はチャンバ１の基端側に配置された中心電極であり、４はチャンバ１の先端側に位置してハウジングと一体の接地電極である。もちろん、接地電極４はハウジングと別部材としてハウジングに電気的及び機械的に一体化するようにしても良い。５はチャンバ１と気筒内とを連通する噴孔であり、本実施形態においては、チャンバ１と同一径を有して接地電極４に形成されている。
【００１２】
中心電極３及び接地電極４は、耐熱性と高い導電性とを有する金属、例えば、ステンレス等の鉄系金属、ニッケル系金属、又は、イリジウム系金属又はイリジウム合金とすることができる。中心電極３に対して接地電極４を絶縁するための絶縁体２の材質は、セラミックス（例えばアルミナセラミックス）とすることが好ましい。
【００１３】
チャンバ１内のガスをプラズマ化させるには、先ずは、中心電極３と接地電極４との間に高電圧を印加し、絶縁体２の側壁内面上に沿面放電Ｓ１を発生させる。こうして、チャンバ１内の沿面放電近傍のガスがプラズマ化されてイオン及び電子が生成されると、プラズマ化されたガスを通って比較的低い電圧での気中放電が可能となり、次いで、大電流の気中放電Ｓ２を発生させる。
【００１４】
こうして、気中放電Ｓ２によってチャンバ１内のガスの大部分がプラズマ化されると、チャンバ１内のガスは高温高圧となってプラズマジェットＰとして噴孔５から噴射され、気筒内の混合気を着火させる。
【００１５】
このように沿面放電Ｓ１と気中放電Ｓ２を併用することにより、最初から気中放電を発生させる場合に比較して、放電開始電圧を低くすることができ、また、大電流の沿面放電を実施して絶縁体を破損させることもなく、チャンバ内の大部分のガスをプラズマ化させることができる。
【００１６】
ところで、点火時期毎にプラズマジェットＰの噴射が繰り返されると、特に大電流を放電する気中放電時に大きなジュール熱が発生して中心電極３及び接地電極４は徐々に消耗し、中心電極３と接地電極４との間の放電距離が徐々に長くなる。それにより、沿面放電は発生させることはできても、この時に発生するプラズマ量も少なくなり、その後の良好な気中放電を発生させることができなくなる。
【００１７】
こうして気中放電により十分な量のプラズマが生成されなくなくなっても、主に沿面放電により発生させた僅かな量のプラズマが噴孔から噴出されて、気筒内の混合気を所望点火時期より遅れて着火させることはできる。しかしながら、混合気の着火面積が小さくなるために混合気の燃焼速度が遅くなることに加えて着火遅れにより発生機関出力がかなり低下する。
【００１８】
本実施形態のプラズマ点火装置は、図２に示す第一フローチャートにより点火制御され、電極消耗時の混合気の着火遅れに伴う出力低下を抑制するようになっている。先ずは、ステップ１０１において、現在の機関運転状態に最適な点火時期Ａが今回の点火時期、すなわち、沿面放電を開始する沿面放電開始時期Ａ１とされる。次いで、ステップ１０２において、各気筒に配置された筒内圧力センサにより検出された前回の各気筒の膨張行程の設定クランク角度の筒内圧力に基づき、着火遅れにより出力が低下している気筒が存在するか否かが判断される。
【００１９】
この判断には、筒内圧力センサにより点火時期直後の各気筒の筒内圧力を測定して各気筒における着火遅れを検出しても良く、また、回転センサにより各気筒の膨張行程の設定クランク角度のクランク角加速度を測定して各気筒における出力低下を検出しても良い。このような出力低下気筒の存在の判断は、一回の着火遅れ又は出力低下だけで判断するのではなく、着火遅れ又は出力低下が数回連続して検出された時に出力低下気筒と判断することが好ましい。
【００２０】
出力低下気筒が存在しないと判断される時には、ステップ１０２の判断は否定され、各気筒のプラズマ点火装置においてステップ１０１において設定された沿面放電開始時期から沿面放電が開始され、次いで気中放電が開始され、それにより、プラズマジェットが噴射されて気筒内の混合気を良好に着火燃焼させて終了する。
【００２１】
一方、電極消耗による混合気の着火遅れに伴って出力が低下している気筒が検出された時には、ステップ１０２の判断が肯定され、ステップ１０３において、出力低下気筒のプラズマ点火装置の沿面放電開始時期Ａ２だけが、ステップ１０１において設定された時期Ａから設定クランク角度ａだけ進角させられる。次いで、ステップ１０４において、出力低下気筒のプラズマ点火装置の気中放電は中止され、ステップ１０５において、出力低下気筒のプラズマ点火装置の交換を運転者に促すための警告灯が点灯される。
【００２２】
このような処理が繰り返され、別の気筒が出力低下気筒となったと判断されれば、その気筒のプラズマ点火装置の沿面放電開始時期Ａ２を、ステップ１０１において設定された時期Ａから設定クランク角度ａだけ進角させ、気中放電を中止し、交換を運転者に促すための警告灯が点灯される。
【００２３】
このようなプラズマ点火装置の点火制御により、中心電極３及び接地電極４の消耗によって良好な気中放電が不可能となって主に沿面放電により発生させた僅かな量のプラズマにより気筒内の混合気を着火させる場合には、気中放電のための中心電極と接地電極との間の電圧印加を中止して不必要な電力消費を防止すると共に、沿面放電開始時期を進角して沿面放電により発生させたプラズマによる混合気の着火遅れが改善され、着火遅れに伴う出力低下を抑制することができる。
【００２４】
本フローチャートにおいて、一つの気筒が出力低下気筒となったと判断された時には、出力低下気筒のプラズマ点火装置が交換されるまで、全ての気筒のプラズマ点火装置において沿面放電開始時期を進角して、気中放電を中止するようにしても良い。
【００２５】
図３は、電極消耗時の混合気の着火遅れに伴う出力低下を抑制するための本発明によるプラズマ点火装置が取り付けられた内燃機関の制御を示す第二フローチャートである。先ずは、ステップ２０１において、現在の機関運転状態に最適な点火時期Ａが今回の点火時期、すなわち、沿面放電を開始する沿面放電開始時期Ａ１とされる。次いで、ステップ２０２において、フラグＦが１であるか否かが判断される。このフラグＦは当初０にリセットされており、当初ステップ２０２の判断は否定されてステップ２０３へ進む。
【００２６】
ステップ２０３では、第一フローチャートのステップ１０２と同様に出力低下気筒の検出が実施され、出力低下気筒が存在しない時には、ステップ２０３の判断は否定され、プラズマ点火装置においてステップ２０１において設定された沿面放電開始時期から沿面放電が開始され、次いで気中放電が開始され、プラズマジェットが噴射されて気筒内の混合気を良好に着火燃焼させる。
【００２７】
次いで、ステップ２０４において、次回の燃料噴射制御は、通常の燃料噴射制御として、例えば、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁により機関高負荷時には吸気行程において燃料が噴射され、また、同じ燃料噴射弁により機関低負荷時には圧縮行程において燃料が噴射される。それにより、機関高負荷時には、点火時期までに気筒内に均質混合気が形成され、この均質混合気をプラズマジェットにより着火燃焼させる均質燃焼が実施される。一方、機関低負荷時には、点火時期において気筒内の一部に成層混合気が形成され、この成層混合気を着火燃焼させる成層燃焼が実現される。次いで、ステップ２０５において、次回の機関運転状態として、無段変速機ＣＶＴが使用される場合には、要求出力に対して例えば燃料消費の少ない機関運転状態（機関回転数及び機関負荷）のマップが選択されて使用される。
【００２８】
一方、電極消耗による混合気の着火遅れに伴って出力が低下している気筒が検出された時には、ステップ２０３の判断が肯定され、ステップ２０６において、全気筒のプラズマ点火装置の沿面放電開始時期Ａ２をステップ２０１において設定された時期Ａから設定クランク角度ａだけ進角させる。次いで、ステップ２０７において、全気筒のプラズマ点火装置の気中放電は中止され、ステップ２０８において、出力低下気筒のプラズマ点火装置の交換を運転者に促すための警告灯が点灯される。
【００２９】
こうして、出力低下気筒において、中心電極３及び接地電極４の消耗により良好な気中放電が不可能となって主に沿面放電により発生させた僅かな量のプラズマにより気筒内の混合気を着火させる場合には、全気筒において、気中放電のための中心電極と接地電極との間の電圧印加を中止して不必要な電力消費を防止すると共に、沿面放電開始時期を進角して沿面放電により発生させたプラズマによる混合気の着火遅れを改善することにより出力低下を抑制する。
【００３０】
次いで、ステップ２０９において、次回の燃料噴射制御は、機関負荷に係わらずに、吸気行程において燃料が噴射されるようにし、均質燃焼を実施する。それにより、成層燃焼時には、プラズマ点火装置のチャンバ１内へは圧縮行程において主に新気が流入するのに対して、均質燃焼時には、プラズマ点火装置のチャンバ１内へは圧縮行程において主に混合気が流入するために、沿面放電によってチャンバ１内のガスの一部がプラズマ化されるだけでなくチャンバ１内の混合気が着火燃焼するために膨張し、高温のプラズマが気筒内へ噴出されることとなるために、気筒内の混合気を着火させ易くなり、さらに着火遅れを改善することができ、また、混合気の燃焼速度も速められ、機関出力の低下をさらに抑制することができる。
【００３１】
また、ステップ２１０において、次回の機関運転状態のマップとして、無段変速機ＣＶＴが使用される場合には、通常使用されるものより高回転低負荷側の機関運転状態のマップが選択されて使用される。それにより、気筒内の吸入空気量が少なくなって点火時期における筒内圧力が低下し、すなわち、点火時期においてプラズマ点火装置のチャンバ１内の圧力を低下させることができ、放電が容易となるために、沿面放電により発生するプラズマ量を増大させることができ、気筒内の混合気を着火させ易くなって、さらに着火遅れを改善することができ、また、混合気の燃焼速度を速められ、機関出力の低下をさらに抑制することができる。
【００３２】
次いで、ステップ２１１において、フラグＦは１とされ、それ以降は、出力低下気筒のプラズマ点火装置が交換されてフラグＦが０にリセットされるまで、ステップ２０３において出力低下気筒の検出を行うことなく、ステップ２０６及び２０７において全気筒のプラズマ点火装置の沿面放電時期を進角すると共に気中放電を中止し、また、ステップ２０９において吸気行程燃料噴射を実施し、ステップ２１０において高回転低負荷側の機関運転状態のマップが選択される。
【符号の説明】
【００３３】
１    チャンバ
２    絶縁体
３    中心電極
４    接地電極
５    噴孔
Ｐ    プラズマジェット
【図１】
2010209837.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010209837.tif 000005