(57)【要約】【課題】この発明は、コンパクトに形成され、広い運転領域において好適に火花放電可能な内燃機関の点火装置およびその点火プラグを提供することを目的とする。【解決手段】点火プラグの中心導体の先端に設けられた中心電極と、前記中心導体の周りに絶縁体を介して設けられた筒状のシェルと、前記シェル端面に接続され、前記中心電極の端面に対向して設けられた主接地電極と、前記シェル端面に接続され、前記中心電極の側方に設けられた副接地電極と、前記中心導体の軸心に対して、前記副接地電極とは反対側の位置に立設された壁とを備える。前記壁は、前記点火プラグに流れ込む気流を、前記中心電極と前記主接地電極との間の主電極ギャップに誘導すると共に、前記中心電極と前記副接地電極との間の副電極ギャップへの気流の流れ込みを抑制する気流制御壁である。【選択図】図２
2014214735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグを備えた内燃機関の点火装置であって、
前記点火プラグの中心導体の先端に設けられた中心電極と、
前記中心導体の周りに絶縁体を介して設けられた筒状のシェルと、
前記シェル端面に接続され、前記中心電極の端面に対向して設けられた主接地電極と、
前記シェル端面に接続され、前記中心電極の側方に設けられた副接地電極と、
前記中心導体の軸心に対して、前記副接地電極とは反対側の位置に立設された壁と、を備え、
前記壁は、前記点火プラグに流れ込む気流を、前記中心電極と前記主接地電極との間の主電極ギャップに誘導すると共に、前記中心電極と前記副接地電極との間の副電極ギャップへの気流の流れ込みを抑制する気流制御壁であること、
を特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項２】
前記シェル端面を基準とした場合に、前記主接地電極の位置は前記副接地電極の位置よりも高く、前記気流制御壁の高さは前記主接地電極の高さよりも低くかつ前記副接地電極の高さよりも高いこと、
を特徴とする請求項１記載の内燃機関の点火装置。
【請求項３】
前記気流制御壁は、前記主電極ギャップに向けて傾斜していること、
を特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の点火装置。
【請求項４】
前記主電極ギャップを流れる気流の流速が設定閾値以下の場合に、前記主電極ギャップの絶縁破壊電圧は、前記副電極ギャップの絶縁破壊電圧よりも低く設定され、
前記主電極ギャップを流れる気流の流速が設定閾値よりも大きい場合に、前記副電極ギャップの絶縁破壊電圧は、前記主電極ギャップの絶縁破壊電圧よりも低く設定されていること、
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置。
【請求項５】
前記中心電極に接続された点火コイルと、
前記主接地電極が接地される接地位置と、前記主接地電極が前記点火コイルに接続される接続位置とを選択的に切替可能な第１スイッチと、
前記主電極ギャップに流れる気流の流速に相当する相当値を算出する算出手段と、
前記相当値が設定閾値以下の場合に、前記第１スイッチを接地位置とし、前記相当値が前記設定閾値よりも大きい場合に、前記第１スイッチを接続位置とする回路切替手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置。
【請求項６】
前記副接地電極が接地される接地位置と、前記副接地電極が前記点火コイルに接続される接続位置とを選択的に切替可能な第２スイッチを更に備え、
前記回路切替手段は、前記相当値が設定閾値以下の場合に、前記第１スイッチを接地位置かつ前記第２スイッチを接続位置とし、前記相当値が前記設定閾値よりも大きい場合に、前記第１スイッチを接続位置かつ前記第２スイッチを接地位置とすること、
を特徴とする請求項５記載の内燃機関の点火装置。
【請求項７】
中心導体の先端に設けられた中心電極と、
前記中心導体の周りに絶縁体を介して設けられた筒状のシェルと、
前記シェル端面に接続し、前記中心電極の端面に対向して設けられた主接地電極と、
前記シェル端面に接続し、前記中心電極の側方に設けられた副接地電極と、
前記中心導体の軸心に対して、前記副接地電極とは反対側の位置に立設された壁と、
を備えることを特徴とする点火プラグ。
【請求項８】
前記中心電極と前記副接地電極との間の副電極ギャップは、前記中心電極と前記主接地電極との間の主電極ギャップよりも広いこと、
を特徴とする請求項７記載の点火プラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の点火装置およびその点火プラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されるように、所定の運転状態において筒内に形成される旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う内燃機関が知られている。この内燃機関では、中心電極と接地電極との間に形成される電極ギャップについて、第１の電極ギャップを旋回気流の渦中心部に、第２の電極ギャップを旋回気流の渦中心部よりも外側の部分に対応させて配置する。そして、通常は第２の電極ギャップを用いて点火し、第２の電極ギャップに流れる気流の流速が過大となる条件においては第１の電極ギャップを用いて点火する。
尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３０３７９８号公報
【特許文献２】特開２００６−２８６４０２号公報
【特許文献３】特開２０１２−０８４４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、自動車用その他内燃機関においては、燃費性能向上を目指し各社開発を進めている。燃費向上の方式は種々提案・実証されているが、その中でもＥＧＲ（排気再循環：Exhaust Gas Recirculation）や空気によって燃料を希薄化するリーンバーンシステムが注目されている。
【０００５】
燃料希薄条件下での燃焼は着火や火炎伝播の安定性確保に課題がある。例として、圧縮上死点近傍で筒内タンブル流を崩壊させて乱れを得る方式の燃焼システムでは、タンブル流を強化するほど、その崩壊による乱れを強化できることが分かっており、乱れを強化すると燃焼速度が増し、燃焼安定性ひいては燃費性能が向上する。
【０００６】
また、点火プラグの電極ギャップに適度な流速を与えると、点火プラグの放電が気流によって引き伸ばされ、初期燃焼を向上させることが可能である。
【０００７】
ところが、あまりに強力なタンブル流を発生させた場合、電極ギャップに流れる気流の流速が安定着火を得るには過大となり、失火に至る可能性がある。
【０００８】
そのため、電極ギャップに流れる気流の流速は、遅過ぎず速過ぎず、適度な強度に保たれることが望ましい。
【０００９】
しかし、実際にはエンジン回転数の上昇とともに筒内の流速は高まるため、例えば低回転時に適切な流速であった場合には、高回転時には過大な流速となり、高回転時に適切な流速であった場合には、低回転時にはより良い燃焼を得るには流速が足りない状況に陥ってしまう。
【００１０】
このような問題に対して、上述した特許文献１の技術では、第１の電極ギャップが燃焼室の中心に大きく突き出た構成となるため、この電極が障壁となって燃焼室内のタンブル流を減衰させ、主に低回転域で燃焼を悪化させる要因となる。また、筒内燃料噴射方式のエンジンでは、燃料噴霧がこの電極に干渉することによる燃焼・排気性能の悪化が懸念される。また、高負荷域では高熱物体（電極）が多く筒内に露出する形状であるためプレイグニッションの発生が懸念される。
【００１１】
理想的には、点火プラグの形状は、構成による燃焼の悪化を小さくするため一般的な形状から大きく変えずにコンパクトに形成し、低回転域では電極ギャップに流れる気流の流速を高め、高回転域では流速を低めることが望ましい。
【００１２】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、コンパクトに形成され、広い運転領域において好適に火花放電可能な内燃機関の点火装置およびその点火プラグを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、点火プラグを備えた内燃機関の点火装置であって、
前記点火プラグの中心導体の先端に設けられた中心電極と、
前記中心導体の周りに絶縁体を介して設けられた筒状のシェルと、
前記シェル端面に接続され、前記中心電極の端面に対向して設けられた主接地電極と、
前記シェル端面に接続され、前記中心電極の側方に設けられた副接地電極と、
前記中心導体の軸心に対して、前記副接地電極とは反対側の位置に立設された壁と、を備え、
前記壁は、前記点火プラグに流れ込む気流を、前記中心電極と前記主接地電極との間の主電極ギャップに誘導すると共に、前記中心電極と前記副接地電極との間の副電極ギャップへの気流の流れ込みを抑制する気流制御壁であることを特徴とする。
【００１４】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記シェル端面を基準とした場合に、前記主接地電極の位置は前記副接地電極の位置よりも高く、前記気流制御壁の高さは前記主接地電極の高さよりも低くかつ前記副接地電極の高さよりも高いこと、を特徴とする。
【００１５】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記気流制御壁は、前記主電極ギャップに向けて傾斜していることを特徴とする。
【００１６】
また、第４の発明は、第１乃至第３のいずれかの発明において、
前記主電極ギャップを流れる気流の流速が設定閾値以下の場合に、前記主電極ギャップの絶縁破壊電圧は、前記副電極ギャップの絶縁破壊電圧よりも低く設定され、
前記主電極ギャップを流れる気流の流速が設定閾値よりも大きい場合に、前記副電極ギャップの絶縁破壊電圧は、前記主電極ギャップの絶縁破壊電圧よりも低く設定されていることを特徴とする。
【００１７】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、
前記中心電極に接続された点火コイルと、
前記主接地電極が接地される接地位置と、前記主接地電極が前記点火コイルに接続される接続位置とを選択的に切替可能な第１スイッチと、
前記主電極ギャップに流れる気流の流速に相当する相当値を算出する算出手段と、
前記相当値が設定閾値以下の場合に、前記第１スイッチを接地位置とし、前記相当値が前記設定閾値よりも大きい場合に、前記第１スイッチを接続位置とする回路切替手段と、
を更に備えることを特徴とする。
【００１８】
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記副接地電極が接地される接地位置と、前記副接地電極が前記点火コイルに接続される接続位置とを選択的に切替可能な第２スイッチを更に備え、
前記回路切替手段は、前記相当値が設定閾値以下の場合に、前記第１スイッチを接地位置かつ前記第２スイッチを接続位置とし、前記相当値が前記設定閾値よりも大きい場合に、前記第１スイッチを接続位置かつ前記第２スイッチを接地位置とすることを特徴とする。
【００１９】
また、第７の発明は、点火プラグであって、
中心導体の先端に設けられた中心電極と、
前記中心導体の周りに絶縁体を介して設けられた筒状のシェルと、
前記シェル端面に接続し、前記中心電極の端面に対向して設けられた主接地電極と、
前記シェル端面に接続し、前記中心電極の側方に設けられた副接地電極と、
前記中心導体の軸心に対して、前記副接地電極とは反対側の位置に立設された壁と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
また、第８の発明によれば、第７の発明において、
前記中心電極と前記副接地電極との間の副電極ギャップは、前記中心電極と前記主接地電極との間の主電極ギャップよりも広いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
第１乃至第４の発明によれば、コンパクトに形成され、広い運転領域において好適に火花放電可能な内燃機関の点火装置を実現することができる。
【００２２】
第５または第６の発明によれば、更に筒内気流の強度によって能動的に適切な電極ギャップでの放電を選択し、広い運転領域で安定した着火を得られる。
【００２３】
第７または第８の発明によれば、コンパクトに形成され、広い運転領域において好適に火花放電可能な点火プラグを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための概念構成図である。
【図２】図１に示す点火プラグ２２の電極部周辺の拡大図である。
【図３】ギャップ間流速とギャップ間絶縁破壊電圧との関係を示すグラフである。
【図４】点火プラグ２２近傍の平均流速と、主電極ギャップ４４、副電極ギャップ４６に流れる気流の流速との関係を示すグラフである。
【図５】点火プラグ２２近傍の平均流速と、主電極ギャップ４４および副電極ギャップ４６の絶縁破壊電圧との関係を示すグラフである。
【図６】主電極ギャップ４４に流れる気流の流速が閾値以下の場合に生じる放電経路について説明するための模式図である。
【図７】主電極ギャップ４４に流れる気流の流速が閾値より大きい場合に生じる放電経路について説明するための模式図である。
【図８】本発明の実施の形態２における点火装置の構成を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態２において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態３における点火装置の構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態３において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２６】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための概念構成図である。図１に示すシステムは、内燃機関（以下、単にエンジンとも記載する）１０を備えている。内燃機関１０は、火花点火式の４ストローク型レシプロエンジンである。内燃機関１０は、所定の運転領域において希薄燃焼（リーンバーン）運転を実現可能なリーンバーンエンジンである。内燃機関１０は、吸気行程および圧縮行程の間、筒内にタンブル流を生じさせる各部構造を有している。
【００２７】
内燃機関１０は図示しない複数の気筒１２を有している。気筒１２には、その内部を往復運動するピストン１４が設けられている。ピストン１４の往復運動は、クランク軸の回転運動に変換される。クランク軸の近傍には、クランク軸の回転角（クランク角）を検出するためのクランク角センサ１６が設けられている。
【００２８】
内燃機関１０は、シリンダヘッド１８を備えている。シリンダヘッド１８の下面と気筒１２の内壁とピストン１４の冠面との間には、燃焼室２０が形成されている。シリンダヘッド１８には、燃焼室２０内に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁（図示省略）が取付けられている。シリンダヘッド１８には、燃焼室２０の上壁面に点火プラグ２２が取付けられている。点火プラグ２２の電極部は、燃焼室２０内に突設している。燃焼室２０には、吸気通路２４および排気通路２６が接続されている。
【００２９】
吸気通路２４には、電子制御式のスロットルバルブ（図示省略）が設けられている。吸気通路２４の下流端には、吸気通路２４と燃焼室２０との間を開閉する吸気バルブ２８が設けられている。
【００３０】
また、排気通路２６の上流端には、燃焼室２０と排気通路２６との間を開閉する排気バルブ３０が設けられている。
【００３１】
本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述のクランク角センサ１６等の内燃機関１０の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。
【００３２】
また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述の燃料噴射弁、点火プラグ２２、スロットルバルブの他、吸気バルブ２８のバルブタイミングを変更することができる可変バルブタイミング装置（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と記す。）５１等の内燃機関１０の運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。
【００３３】
ＥＣＵ５０は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。
【００３４】
［点火プラグの構成］
図２は、図１に示す点火プラグ２２の電極部周辺の拡大図である。
点火プラグ２２は、一般的な構成として、その中心導体（図示省略）の先端に設けられた中心電極３２を備える。中心電極３２の材料には、例えばイリジウムが用いられる。また、中心導体の周りには、絶縁体（図示省略）を介して筒状のシェル３４が設けられている。また、中心電極３２は、点火コイル（図示省略）に接続され、点火コイルはバッテリー（図示省略）およびＥＣＵ５０に接続されている。
【００３５】
本発明の実施の形態１における点火プラグ２２は、複数の接地電極を有する多極プラグである。電極の数は図２に示す例に限定されないが、図２に示す例では、点火プラグ２２は、中心電極３２、主接地電極３６、および副接地電極３８の３つの電極を有するスパークプラグである。中心電極３２、主接地電極３６、および副接地電極３８は燃焼室２０に面している。
【００３６】
主接地電極３６は、中心電極３２の端面３２ａに対向した位置に設けられている。主接地電極３６は、シェル３４の環状の端面３４ａ（以下、シェル端面３４ａと記載する）に接続されている。具体的には、主接地電極３６は、シェル端面３４ａから延びた脚部４０の先端に設けられている。主接地電極３６の材料には、例えば白金が用いられる。主接地電極３６、脚部４０の形状は現在普及している点火プラグと同様である。
【００３７】
副接地電極３８は、中心電極３２の側方（例えば、側面（周面）３２ｂ方向）に設けられている。副接地電極３８は、シェル端面３４ａに接続されている。具体的には、副接地電極３８は、主接地電極３６の脚部４０よりも短い脚部４２の先端に設けられている。副接地電極３８のシェル端面３４ａからの高さは、主接地電極３６および中心電極３２よりも低い。副接地電極３８の材料には、例えば白金が用いられる。
【００３８】
点火プラグ２２には、電極間に２つの電極ギャップが形成される。中心電極３２と主接地電極３６との間には、主電極ギャップ４４が形成される。中心電極３２と副接地電極３８との間には、副電極ギャップ４６が形成される。
【００３９】
本発明の実施の形態１の点火装置は、中心導体の軸心に対して、副接地電極３８とは反対側の位置に立設された気流制御壁４８を備える。上述したように筒内にはタンブル流が形成される（図１）。気流制御壁４８は、中心電極３２、主接地電極３６、および副接地電極３８に対して気流の上流側に設けられている。図２に示す例では、気流制御壁４８は、シェル端面３４ａに立設されているが、これに限定されるものではない。燃焼室２０壁面の点火プラグ２２近傍に立設されてもよい。
【００４０】
また、気流制御壁４８は、主電極ギャップ４４への気流の流れ込みを妨げることなく、副電極ギャップ４６への気流の流れ込みを抑制する高さを有する。気流制御壁４８のシェル端面３４ａからの高さは、主接地電極３６の高さよりも低く、かつ、副接地電極３８の高さよりも高い。好ましくは、中心電極３２と同程度の高さとする。副接地電極３８は気流制御壁４８の気流下流かつ背後に位置している。
【００４１】
また、気流制御壁４８は、燃焼室２０の壁面に沿って流れ込む気流の一部を、主電極ギャップ４４に誘導する形状を有する。具体的には、気流制御壁４８は、シェル端面３４ａから主電極ギャップ４４に向けて緩やかに傾斜して立設されている。
【００４２】
このように、気流制御壁４８は、主電極ギャップ４４に対しては気流を集合させるガイドとして機能すると共に、副電極ギャップ４６に対しては防風壁として機能する。
【００４３】
次に、図３〜図５を用いて、主電極ギャップ４４および副電極ギャップ４６に流れる気流の流速と絶縁破壊電圧（電極間の絶縁が破れる電圧）との関係について説明する。
【００４４】
図３は、ギャップ間流速とギャップ間絶縁破壊電圧との関係を示すグラフである。
図３に示すように、ギャップ間流速が高いほど、ギャップ間絶縁破壊電圧は高まる傾向がある。
【００４５】
図４は、点火プラグ２２近傍の平均流速と、主電極ギャップ４４、副電極ギャップ４６に流れる気流の流速との関係を示すグラフである。
破線５２は点火プラグ２２近傍の平均流速、実線５４は主電極ギャップ４４に流れる気流の流速、実線５６は副電極ギャップ４６に流れる気流の流速を示している。
【００４６】
上述した気流制御壁４８により、点火プラグ２２の周囲気流（特に、気流制御壁４８が無い場合に副電極ギャップ４６に向かう流れ）を整流して主電極ギャップ４４に誘導し、主電極ギャップ４４に流れる気流を強める。そのため、実線５４に示す主電極ギャップ４４に流れる気流の流速は、点火プラグ２２近傍の平均流速よりも高くなる。
【００４７】
また、気流制御壁４８は、副電極ギャップ４６に対しては防風壁として機能する。そのため、副電極ギャップ４６に流れる気流の流速は、点火プラグ２２近傍の平均流速よりも低くなる。すなわち、副電極ギャップ４６に流れる気流の流速は、主電極ギャップ４４よりも低くなる。
【００４８】
図５は、点火プラグ２２近傍の平均流速と、主電極ギャップ４４および副電極ギャップ４６の絶縁破壊電圧との関係を示すグラフである。
実線５８は、点火プラグ２２近傍の平均流速と、主電極ギャップ４４の絶縁破壊電圧との関係、実線６０は、点火プラグ２２近傍の平均流速と、主電極ギャップ４４の絶縁破壊電圧との関係を示している。
【００４９】
点火プラグ２２近傍の平均流速の上昇に伴って、主電極ギャップ４４および副電極ギャップ４６の絶縁破壊電圧は増大する。一般に、ギャップ間流速が高いほど絶縁破壊電圧が増大する。そのため、気流制御壁４８により流速増大が抑えられる副電極ギャップ４６の絶縁破壊電圧の上昇は、気流制御壁４８により流速が高められる主電極ギャップ４４に比して緩やかである。
【００５０】
本実施形態の点火プラグ２２は、主電極ギャップ４４と副電極ギャップ４６の気体が静止した条件下、詳細には、気体が静止した状態かつ気体の成分・温度が同一の状態において、「主電極ギャップ４４の絶縁破壊電圧＜副電極ギャップ４６の絶縁破壊電圧」となるように電極のギャップ・形状が設定されている。また、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速が設定閾値Ａを上回る場合に、「主電極ギャップ４４の絶縁破壊電圧＞副電極ギャップ４６の絶縁破壊電圧」となるように電極のギャップ・形状が設定されている。具体的には、電極の材料や形状が同じ場合には、副電極ギャップ４６は主電極ギャップ４４よりも広く設定されている。
【００５１】
なお、図５に示す設定流速閾値は、点火プラグ２２近傍の平均流速の閾値を意味しているが、上述の設定閾値Ａは、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速の閾値を意味する。好ましくは、設定閾値Ａは、点火コイルが発生するエネルギーに基づいて、主電極ギャップ４４に生じる放電経路が所定時間切れることなく限界の長さまで引き伸ばされる流速とする。
【００５２】
このようにギャップ間距離等を適切に調整することで、主電極ギャップ４４と副電極ギャップ４６の絶縁破壊電圧がある流速（設定閾値Ａ）を境に逆転する。このような点火装置によれば、図５のグラフに示すように、点火プラグ２２近傍の平均流速に対して絶縁破壊電圧が低い電極ギャップで放電が生じる。
【００５３】
次に、図６と図７を用いて、本発明の実施の形態１において、筒内気流の強度に応じて受動的に切り替わる放電ギャップについて説明する。
【００５４】
図６は、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速が設定閾値Ａ以下の場合に生じる放電経路について説明するための模式図である。
ＥＣＵ５０からの点火指令に応じて、点火コイルにより発生した高電圧は、中心電極３２と主接地電極３６との間、および中心電極３２と副接地電極３８との間に加わる。
【００５５】
本実施形態のシステムでは、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速が設定閾値Ａ以下の場合、例えば低回転域では、主電極ギャップ４４で放電する。具体的には、気流制御壁４８は主電極ギャップ４４に対して気流を集合させるガイドとして機能し、燃焼室２０の壁面に沿って流れ込む気流の一部、特に、気流制御壁４８が無い場合に副電極ギャップ４６に向かう流れを主電極ギャップ４４に誘導する。主電極ギャップ４４に流れる気流の流速が高まるため、放電経路が引き伸ばされ、安定した初期燃焼を実現することができる。
【００５６】
図７は、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速が設定閾値Ａより大きい場合に生じる放電経路について説明するための模式図である。
放電経路の長さは、点火コイルで生じるエネルギーにより略一定である。そのため、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速が速すぎると、主電極ギャップ４４で放電しても非常に短い時間で、放電経路の長さが限界に達し切れてしまう。十分な放電時間を確保できず、着火不良の要因となる。
【００５７】
本実施形態のシステムでは、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速が設定閾値Ａより大きい場合、例えば高回転域では、副電極ギャップ４６で放電する。具体的には、気流制御壁４８は副電極ギャップ４６に対して防風壁として機能し、副電極ギャップ４６を流れる気流の流速を主電極ギャップ４４に比して下げることができる。その結果、上述した閾値を境に副電極ギャップ４６の絶縁破壊電圧が主電極ギャップ４４の絶縁破壊電圧よりも小さくなる。そのため、相対的に流速が低い副電極ギャップ４６で十分な放電時間を確保でき、着火不良を防ぐことができる。
【００５８】
このように、本実施形態のシステムでは、上述のように気流制御壁４８、主電極ギャップ４４、副電極ギャップ４６を設けることで、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速に応じて受動的に放電経路を切り替えることができる。
【００５９】
主電極ギャップ４４に流れる気流の流速が設定閾値Ａ以下の場合には、積極的に主電極ギャップ４４で生じる放電経路を引き伸ばし、安定した初期燃焼を実現することができる。特に、希薄燃焼運転時に効果的である。一方、流速が設定閾値Ａを超える場合には、副電極ギャップ４６での放電に切り替えて、放電経路を確保し、失火を防ぐことができる。なお、点火プラグ２２近傍の平均流速は高まっている状態であるため、副電極ギャップ４６に生じる放電経路も好適に引き伸ばされる。そのため、広い運転領域で安定した燃焼が実現される。
【００６０】
また、本実施形態のシステムでは、点火プラグの一般的な形状を大きく変えず、すなわち、気流制御壁４８と副接地電極３８が、一般的な主接地電極３６よりも低く形成され、コンパクトに形成されているため、筒内流動の阻害やプレイグニッションの発生を抑制することができる。
【００６１】
ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、内燃機関１０を、リーンバーンエンジンとしているが、これに限定されるものではない。本発明は火花点火式の他のエンジンにも適用可能である。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。
【００６２】
また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、内燃機関１０は、筒内にタンブル流を形成する各部構造を有することとしているが、これに限定されるものではない。例えば、筒内にスワール流を形成する各部構造を有するものであってもよい。この場合、点火プラグ２２は、気筒１２の軸心から外れた燃焼室２０上壁面に配置することが好ましい。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。
【００６３】
なお、上述した実施の形態１のシステムにおいて、気流制御壁４８が導体である場合、中心電極３２と気流制御壁４８との間の絶縁破壊電圧は、主電極ギャップ４４および副電極ギャップ４６よりも高く設計されているものとする。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。
【００６４】
また、本発明が適用されるエンジンは、上述の実施の形態のような筒内直噴エンジンには限定されない。ポート噴射式のエンジンにも本発明の適用は可能である。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。
【００６５】
尚、上述した実施の形態１においては、中心電極３２が前記第１および第７の発明における「中心電極」に、シェル３４が前記第１および第７の発明における「シェル」に、主接地電極３６が前記第１および第７の発明における「主接地電極」に、副接地電極３８が前記第１および第７の発明における「副接地電極」に、気流制御壁４８が前記第１および第７の発明における「壁」に、主電極ギャップ４４が前記第１および第８の発明における「主電極ギャップ」に、副電極ギャップ４６が前記第１および第８の発明における「副電極ギャップ」に、それぞれ相当している。
【００６６】
実施の形態２．
［実施の形態２のシステム構成］
次に、図８〜図９を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは、図１に示すシステム構成に図８に示す点火装置を採用し、ＥＣＵ５０に後述する図９のルーチンを実施させることで実現することができる。
【００６７】
実施の形態１のシステムでは、筒内気流の強度に応じて受動的に放電が生じる電極ギャップが切り替わる。しかしながら、適切なタイミングで自動的に放電経路を切り替えるための気流制御壁４８、主電極ギャップ４４、副電極ギャップ４６の設定は必ずしも容易ではなく、意図しない電極ギャップで放電する可能性もある。
【００６８】
そこで、本発明の実施の形態２では、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速を推定し、ＥＣＵ５０からの指令に応じて能動的に放電を生じさせる電極ギャップことのできる点火装置を提供する。
【００６９】
［点火装置の特徴的構成］
図８は、本発明の実施の形態２における点火装置の構成を示す模式図である。
本発明の実施の形態２における点火装置６２は、点火プラグ２２、点火コイル６４、バッテリー（図示省略）、第１スイッチ６６、およびＥＣＵ５０の一部を含む。図８に示す構成のうち、図２と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７０】
点火コイル６４の内部には、一次コイルと一次コイルよりも巻数の多い二次コイルの二系統のコイルが内蔵されている。バッテリーの＋側は、点火コイル６４の一次コイルに接続されている。二次コイルは、中心電極３２に接続されている。
【００７１】
第１スイッチ６６は、図８のＡ１位置とＢ１位置とに選択的に切替可能である。Ａ１位置に設定すると、主接地電極３６は点火コイルの二次コイルに接続される。一方、Ｂ１位置に設定すると、主接地電極３６は接地される。
【００７２】
副接地電極３８は常時接地されている。ＥＣＵ５０の出力部には、点火コイル６４、第１スイッチ６６が接続されている。
【００７３】
［点火装置の動作］
次に、点火装置６２の動作について説明する。ＥＣＵ５０は、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速を算出し、流速に応じて放電ギャップ選択指令を出力する。放電ギャップ選択指令に応じて、第１スイッチ６６は図８のＡ１位置又はＢ１位置に切り替えられる。
【００７４】
ＥＣＵ５０は、クランク角センサ１６からの信号による気筒判別完了後、各種センサからの信号に基づきエンジン状態に応じた点火時期を算出し、点火コイル６４に点火指令を出力する。ＥＣＵ５０からの点火指令に応じて点火コイル６４の一次コイル側の電流が遮断されると、電磁誘導により二次コイル側に高電圧が誘起される。
【００７５】
第１スイッチ６６がＢ１位置に設定されている場合、点火コイル６４で誘起された高電圧が、点火プラグ２２の中心電極３２と主接地電極３６との間に加わり、絶縁破壊電圧（放電電圧）に達すると、電極間の絶縁が破れ電流が流れる放電現象が起こり、主電極ギャップ４４に電気火花が発生する。
【００７６】
一方、第１スイッチ６６がＡ１位置に設定されている場合、点火プラグ２２の中心電極３２と主接地電極３６とが同相（＋）となり、副電極ギャップ４６の絶縁破壊電圧（放電電圧）に達すると、副電極ギャップ４６に電気火花が発生する。
【００７７】
（フローチャート）
図９は、本発明の実施の形態２において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。ＥＣＵ５０は、点火指令に先立って本ルーチンを実行する。
【００７８】
ステップＳ２００において、ＥＣＵ５０は、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速を算出する。具体的には、ＥＣＵ５０は、運転条件と主電極ギャップ４４に流れる流速との関係を定めたマップまたはモデルを予め記憶しており、これに基づいて、運転条件に対応する流速の相当値を算出する。運転条件として用いるパラメータとしては、クランク角センサ１６の検出信号より算出されるエンジン回転数、ＶＶＴ５１により変更される吸気バルブ２８のバルブタイミング（特に、閉弁タイミング）、機関負荷などが挙げられる。さらに、燃料噴射弁の噴射量および噴射タイミングを含めてもよい。
【００７９】
ステップＳ２１０において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２００において算出された流速が設定閾値Ａよりも大きいか否かを判定する。流速が設定閾値Ａよりも大きい場合にはステップＳ２２０の処理に進む。流速が設定値以下の場合にはステップＳ２３０の処理に進む。なお、設定閾値Ａは、点火コイルが発生するエネルギーに基づいて、主電極ギャップ４４に生じる放電経路が所定時間切れることなく限界の長さまで引き伸ばされる流速であり、予めＥＣＵ５０に記憶されている。
【００８０】
ステップＳ２２０において、ＥＣＵ５０は、第１スイッチ６６をＡ１位置に設定する放電ギャップ選択指令を出力する。第１スイッチ６６をＡ１位置に設定することで主接地電極３６が点火コイル６４の二次コイルに接続される。その後、本ルーチンの処理は終了する。
【００８１】
ステップＳ２３０において、ＥＣＵ５０は、第１スイッチ６６をＢ１位置に設定する放電ギャップ選択指令を出力する。第１スイッチ６６をＢ１位置に設定することで主接地電極３６が接地される。その後、本ルーチンの処理は終了する。
【００８２】
このように、本実施形態のシステムでは、各電極への給電切替を行うことができる。主電極ギャップ４４を流れる流速が設定閾値Ａ以下の場合には、主接地電極３６を接地させて、積極的に主電極ギャップ４４で電気火花を発生させることができる。また、主電極ギャップ４４を流れる流速が設定閾値Ａよりも大きい場合には、中心電極３２と主接地電極３６とを同相（＋）にして、積極的に副電極ギャップ４６で電気火花を発生させることができる。このように、本実施形態のシステムによれば、筒内気流の強度によって能動的に適切な電極ギャップでの放電を選択し、広い運転領域で安定した着火を得られる。
【００８３】
尚、上述した実施の形態２においては、点火コイル６４が前記第５の発明における「点火コイル」に、第１スイッチが前記第５の発明における「第１スイッチ」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップＳ２００の処理を実行することにより前記第５の発明における「算出手段」が、上記ステップＳ２１０〜ステップＳ２３０の処理を実行することにより前記第５の発明における「回路切替手段」が、それぞれ実現されている。
【００８４】
実施の形態３．
［実施の形態３のシステム構成］
次に、図１０、図１１を参照して本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態のシステムは、図１に示すシステム構成に図１０に示す点火装置を採用し、ＥＣＵ５０に後述する図１１のルーチンを実施させることで実現することができる。
【００８５】
実施の形態２のシステムでは、筒内気流の強度に応じて能動的に放電を生じさせる電極ギャップが切り替わる。実施の形態２のシステムでは、副接地電極３８が常時接地しているため、副電極ギャップ４６での放電は完全には制御されていない。
【００８６】
そこで、本発明の実施の形態３では、実施の形態２に比して、より確実に放電を生じさせる電極ギャップを切り替えることのできる点火装置を提供する。
【００８７】
［点火装置の特徴的構成］
図１０は、本発明の実施の形態３における点火装置の構成を示す模式図である。
本発明の実施の形態３における点火装置６２は、点火プラグ２２、点火コイル６４、バッテリー（図示省略）、第１スイッチ６６、第２スイッチ６８、およびＥＣＵ５０の一部を含む。図１０に示す構成は、第２スイッチ６８を更に備える点を除き、図８に示す構成と同様であるため、同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００８８】
第２スイッチ６８は、図１０のＡ２位置とＢ２位置とに選択的に切替可能である。Ａ２位置に設定すると、副接地電極３８は点火コイルの二次コイルに接続される。一方、Ｂ２位置に設定すると、副接地電極３８は接地される。ＥＣＵ５０の出力部には、第２スイッチ６８が接続されている。
【００８９】
［点火装置の動作］
次に、点火装置６２の動作について説明する。ＥＣＵ５０は、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速を算出し、流速に応じて放電ギャップ選択指令を出力する。放電ギャップ選択指令に応じて、第１スイッチ６６は図１０のＡ１位置またはＢ１位置に、第２スイッチ６８はＡ２位置またはＢ２位置に切り替えられる。
【００９０】
ＥＣＵ５０は、クランク角センサ１６からの信号による気筒判別完了後、各種センサからの信号に基づきエンジン状態に応じた点火時期を算出し、点火コイル６４に点火指令を出力する。ＥＣＵ５０からの点火指令に応じて点火コイル６４の一次コイル側の電流が遮断されると、電磁誘導により二次コイル側に高電圧が誘起される。
【００９１】
第１スイッチ６６がＢ１位置に、第２スイッチ６８がＡ２位置に設定されている場合、点火プラグ２２の中心電極３２と副接地電極３８とが同相（＋）となり、点火コイル６４で誘起された高電圧が、点火プラグ２２の中心電極３２と主接地電極３６との間に加わり、絶縁破壊電圧（放電電圧）に達すると、電極間の絶縁が破れ電流が流れる放電現象が起こり、主電極ギャップ４４に電気火花が発生する。
【００９２】
一方、第１スイッチ６６がＡ１位置に、第２スイッチ６８がＢ２位置に設定されている場合、点火プラグ２２の中心電極３２と主接地電極３６とが同相（＋）となり、点火コイル６４で誘起された高電圧が、点火プラグ２２の中心電極３２と副接地電極３８との間に加わり、絶縁破壊電圧（放電電圧）に達すると、副電極ギャップ４６に電気火花が発生する。
【００９３】
（フローチャート）
図１１は、本発明の実施の形態３において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。ＥＣＵ５０は、点火指令に先立って本ルーチンを実行する。
【００９４】
ステップＳ３００において、ＥＣＵ５０は、主電極ギャップ４４に流れる気流の流速を算出する。具体的には、ＥＣＵ５０は、運転条件と主電極ギャップ４４に流れる流速と関係を定めたマップまたはモデルを予め記憶しており、これに基づいて、運転条件に対応する流速の相当値を算出する。運転条件として用いるパラメータとしては、クランク角センサ１６の検出信号より算出されるエンジン回転数、ＶＶＴ５１により変更される吸気バルブ２８のバルブタイミング（特に、閉弁タイミング）、機関負荷などが挙げられる。さらに、燃料噴射弁の噴射量および噴射タイミングを含めてもよい。
【００９５】
ステップＳ３１０において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ３００において算出された流速が設定閾値Ａよりも大きいか否かを判定する。流速が設定閾値Ａよりも大きい場合にはステップＳ３２０の処理に進む。流速が設定値以下の場合にはステップＳ３４０の処理に進む。なお、設定閾値Ａは、点火コイルが発生するエネルギーに基づいて、主電極ギャップ４４に生じる放電経路が所定時間切れることなく限界の長さまで引き伸ばされる流速であり、予めＥＣＵ５０に記憶されている。
【００９６】
ステップＳ３２０において、ＥＣＵ５０は、第１スイッチ６６をＡ１位置に設定する放電ギャップ選択指令を出力する。第１スイッチをＡ１位置に設定することで主接地電極３６が点火コイルの二次コイルに接続される。また、ステップＳ３３０において、ＥＣＵ５０は、第２スイッチ６８をＢ２位置に設定する放電ギャップ選択指令を出力する。第２スイッチをＢ２位置に設定することで副接地電極３８が接地される。その後、本ルーチンの処理は終了する。
【００９７】
ステップＳ３４０において、ＥＣＵ５０は、第１スイッチ６６をＢ１位置に設定する放電ギャップ選択指令を出力する。第１スイッチ６６をＢ１位置に設定することで主接地電極３６が接地される。また、ステップＳ３５０において、ＥＣＵ５０は、第２スイッチ６８をＡ２位置に設定する放電ギャップ選択指令を出力する。第２スイッチをＡ２位置に設定することで副接地電極３８が点火コイルの二次コイルに接続される。その後、本ルーチンの処理は終了する。
【００９８】
このように、本実施形態のシステムでは、各電極への給電切替を行うことができる。主電極ギャップ４４を流れる流速が設定閾値Ａ以下の場合には、主接地電極３６を接地させると共に、中心電極３２と副接地電極３８とを同相（＋）にして、積極的に主電極ギャップ４４で電気火花を発生させることができる。また、主電極ギャップ４４を流れる流速が設定閾値Ａよりも大きい場合には、中心電極３２と主接地電極３６とを同相（＋）にすると共に、副接地電極３８を接地させて、積極的に副電極ギャップ４６で電気火花を発生させることができる。このように、本実施形態のシステムによれば、筒内気流の強度によって能動的に適切な電極ギャップでの放電を選択し、広い運転領域で安定した着火を得られる。
【００９９】
尚、上述した実施の形態３においては、第２スイッチ６８が前記第６の発明における「第２スイッチ」に相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップＳ３１０〜ステップＳ３５０の処理を実行することにより前記第６の発明における「回路切替手段」が実現されている。
【符号の説明】
【０１００】
１０  内燃機関
１６  クランク角センサ
２０  燃焼室
２２  点火プラグ
２８  吸気バルブ
３２、３２ａ、３２ｂ  中心電極、端面、側面
３４、３４ａ  シェル、シェル端面
３６  主接地電極
３８  副接地電極
４４  主電極ギャップ
４６  副電極ギャップ
４８  気流制御壁
５０  ＥＣＵ
５１  ＶＶＴ
６２  点火装置
６４  点火コイル
６６  第１スイッチ
６８  第２スイッチ
【図１】
2014214735.tif 000003
【図２】
2014214735.tif 000004
【図３】
2014214735.tif 000005
【図４】
2014214735.tif 000006
【図５】
2014214735.tif 000007
【図６】
2014214735.tif 000008
【図７】
2014214735.tif 000009
【図８】
2014214735.tif 000010
【図９】
2014214735.tif 000011
【図１０】
2014214735.tif 000012
【図１１】
2014214735.tif 000013