(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関の気筒の燃焼室内に露出する着火用の電極が一方的に損耗してその寿命が短くなることを抑制する。【解決手段】気筒の燃焼室内に露出する電極に印加するべき正の電圧を発生させる正電圧発生部６Ｂと、同電極に印加するべき負の電圧を発生させる負電圧発生部６Ａと、気筒における一度の燃焼において、正電圧発生部６Ｂまたは負電圧発生部６Ａの何れか一方を選択的に電極に接続し、正電圧発生部６Ｂが発生させる正電圧または負電圧発生部６Ａが発生させる負電圧を当該電極に印加するスイッチング部７とを具備する内燃機関を構成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒の燃焼室内に露出する電極に印加するべき正の電圧を発生させる正電圧発生部と、
前記電極に印加するべき負の電圧を発生させる負電圧発生部と、
気筒における一度の燃焼において、前記正電圧発生部または前記負電圧発生部の何れか一方を選択的に前記電極に接続し、正電圧発生部が発生させる正電圧または負電圧発生部が発生させる負電圧を当該電極に印加するスイッチング部と
を具備する内燃機関。
【請求項２】
気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、
前記アンテナを前記電極とし、気筒における一度の燃焼において、前記正電圧発生部が発生させる正の電界または前記負電圧発生部が発生させる負の電界を当該アンテナに印加する請求項１記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
火花点火式内燃機関に実装されている点火装置では、イグナイタが消弧した際に点火コイルに発生する高電圧を点火プラグの中心電極に印加することで、点火プラグの中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起し、点火する。
【０００３】
近時では、気筒の燃焼室内にある混合気に確実に着火させ、安定した火炎を得ることができるようにするために、高周波発振器が出力する高周波若しくはマグネトロンが出力するマイクロ波を燃焼室内に放射する「アクティブ着火」法が試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。アクティブ着火法によれば、中心電極と接地電極との間の空間に高周波電界若しくはマイクロ波電界が形成され、この電界中で発生したプラズマが成長して、火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きな火炎核を生成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０６４１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
内燃機関の点火プラグの電極は、その使用期間が長くなるにつれて徐々に損耗してゆく。とりわけ、上記のアクティブ着火法を用いる場合には、その損耗が顕著となる。点火プラグの中心電極に負の高周波またはマイクロ波電界を印加してアクティブ着火を行うと、中心電極側が激しく削られてゆく。逆に、点火プラグの中心電極に正の高周波またはマイクロ波電界を印加してアクティブ着火を行うと、接地電極側が激しく削られてゆく。結果的に、一方の電極が短期間に損傷してその効用が失われ、点火プラグが短命となって頻繁に点火プラグを交換する必要に迫られる。
【０００６】
本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであり、内燃機関の気筒の燃焼室内に露出する着火用の電極が一方的に損耗してその寿命が短くなることを抑制しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、気筒の燃焼室内に露出する電極に印加するべき正の電圧を発生させる正電圧発生部と、前記電極に印加するべき負の電圧を発生させる負電圧発生部と、気筒における一度の燃焼において、前記正電圧発生部または前記負電圧発生部の何れか一方を選択的に前記電極に接続し、正電圧発生部が発生させる正電圧または負電圧発生部が発生させる負電圧を当該電極に印加するスイッチング部とを具備する内燃機関を構成した。
【０００８】
気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関においては、前記アンテナを前記電極とし、気筒における一度の燃焼において、前記正電圧発生部が発生させる正の電界または前記負電圧発生部が発生させる負の電界を当該アンテナに印加するものとする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、気筒の燃焼室内に露出する着火用の電極が一方的に損耗してその寿命が短くなることを抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。
【図２】同実施形態における点火装置の回路図。
【図３】同実施形態における電界発生装置の構成を説明する図。
【図４】同実施形態における電界発生装置の要素であるＨブリッジの回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。
【００１２】
図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１３】
本実施形態の内燃機関には、気筒１の燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置６Ａ、６Ｂが付帯している。電界発生装置６Ａ、６Ｂは、気筒１の燃焼室内に高周波電界を放射し、その燃焼室内でプラズマを生成する目的のものである。
【００１４】
図３及び図４に、電界発生装置６Ａ、６Ｂの一例を示している。電界発生装置６Ａ、６Ｂは、車載バッテリを電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路を含む。具体的には、バッテリが提供する約１２Ｖの直流電圧を１００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流を高周波の交流に変換するＨブリッジ回路６２と、Ｈブリッジ回路６２が出力する交流をさらに高い電圧に昇圧する昇圧トランス６３とを構成要素とする。
【００１５】
本実施形態では、気筒１の点火プラグ１２の中心電極に負の高周波電界を印加する負電圧発生部たる第一電界発生装置６Ａと、同点火プラグ１２の中心電極に正の高周波電界を印加する正電圧発生部たる第二電界発生装置６Ｂとが並存しており、点火プラグ１２の中心電極に、第一電界発生装置６Ａが発生させる負の電界、または第二電界発生装置６Ｂが発生させる正の電界の何れかを選択的に印加することが可能となっている。
【００１６】
各電界発生装置６Ａ、６Ｂの出力端には、第一ダイオード６４Ａ、６４Ｂ及び第二ダイオード６５Ａ、６５Ｂを設けている。第一ダイオード６４Ａ、６４Ｂは、カソードが昇圧トランス６３の二次側巻線の信号ラインに接続し、アノードが点火コイル１４との結節点であるミキサ６６に接続する。第二ダイオード６５Ａ、６５Ｂは、アノードが昇圧トランス６３の二次側巻線のグランドラインに接続し、カソードが接地する。
【００１７】
第一ダイオード６４Ａ、６４Ｂ及び第二ダイオード６５Ａ、６５Ｂの極性（向き）は、第一電界発生装置６Ａと第二電界発生装置６Ｂとで異なっている。第一電界発生装置６Ａにおける第一ダイオード６４Ａ及び第二ダイオード６５Ａは、Ｈブリッジ回路６２が発生させる交流電圧を負の電圧に半波整流する役割を担う。同様に、第二電界発生装置６Ｂにおける第一ダイオード６４Ｂ及び第二ダイオード６５Ｂは、Ｈブリッジ回路６２が発生させる交流電圧を正の電圧に半波整流する役割を担う。
【００１８】
電界発生装置６Ａ、６Ｂと点火プラグ１２の中心電極に連なるミキサ６６との間には、スイッチング部７を介設している。スイッチング部７は、第一電界発生装置６Ａとミキサ６６との間を断接切換するスイッチ７Ａと、第二電界発生装置６Ｂとミキサ６６との間を断接切換するスイッチ７Ｂとを要素とする。各スイッチ７Ａ、７Ｂには、トランジスタやＭＯＳＦＥＴ等のような半導体スイッチング素子を用いてもよく、リレーのような機械的なスイッチを用いてもよい。
【００１９】
ミキサ６６には、点火コイル１４の二次側に誘導される火花放電用の高圧パルス電流が電界発生装置６Ａ、６Ｂに向けて流れることを遮る機能を備えることが好ましい。だが、スイッチ７Ａ、７Ｂのスイッチング等により火花放電用の高圧パルスの電界発生装置６Ａ、６Ｂへの流入を遮断できるのであれば、当該機能は不要である。
【００２０】
電界発生装置６Ａ、６Ｂが出力する高周波電圧は、通常、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前または火花放電開始直後に、点火プラグ１２の中心電極に印加する。つまりは、気筒１の燃焼室内に臨む点火プラグ１２の中心電極を、電界を放射するアンテナとする。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間の空間に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中で火花放電が生起することによりプラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きなラジカルプラズマ火炎核を生成する。
【００２１】
上記は、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、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ラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ちプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎核も大きくなるのである。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。
【００２２】
因みに、交流電圧発生回路であるＨブリッジ回路６２に替えて、脈流電圧発生回路を採用することもできる。この場合、当該脈流電圧発生回路は周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その波形も任意であってよい。脈流電圧は、基準電圧（０Ｖであることがある）から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧、交流電圧を半波整流した電圧、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等をおしなべて含む。電界発生装置６Ａ、６Ｂが発振する高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜３０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。
【００２３】
内燃機関の気筒１に吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００２４】
気筒１から排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００２５】
本実施形態の内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００２６】
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。
【００２７】
出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、第一電界発生装置６Ａに対して電界（即ち、高周波）印加指令信号ｌ、第二電界発生装置６Ｂに対して電界印加指令信号ｍ等を出力する。
【００２８】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、燃焼室内に電界を発生させるか否かやその電界発生のタイミングといった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。
【００２９】
点火プラグ１２の中心電極をアンテナとして燃焼室内に放射される高周波電界と、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させてプラズマを生成し混合気に着火するアクティブ着火を行う際には、第一電界発生装置６Ａまたは第二電界発生装置６Ｂの何れか一方を選択してミキサ６６に接続し、その接続した電界発生装置６Ａ、６Ｂが出力する負のまたは正の高周波電界を中心電極に印加して、中心電極から燃焼室内に放射させる。
【００３０】
即ち、気筒１における一度の混合気の燃焼（換言すれば、一度のサイクル（吸気行程−圧縮行程−膨張行程−排気行程の一連を一サイクルとする））において、点火プラグ１２の中心電極から、負の高周波電界または正の高周波電界の何れかを放射する。気筒１における一度の混合気の燃焼において、ＥＣＵ０は、燃焼室内に高周波電界を放射するタイミング（火花放電開始と略同時、火花放電開始直前または火花放電開始直後のタイミング）に合わせて、スイッチ７Ａを接続しつつスイッチ７Ｂを切断して第一電界発生装置６Ａのみをミキサ６６に接続するか、あるいは、スイッチ７Ｂを接続しつつスイッチ７Ａを切断して第二電界発生装置６Ｂのみをミキサ６６に接続する。そして、ミキサ６６に接続している側の電界発生装置６Ａ、６Ｂから高周波を出力させる。
【００３１】
その上で、本実施形態では、点火プラグ１２の中心電極または接地電極の一方的な損耗を抑制して点火プラグ１２を延命するべく、アクティブ着火においてミキサ６６に接続する電界発生装置６Ａ、６Ｂ、即ち中心電極に印加するべき高周波電界を適宜切り換えることとしている。
【００３２】
点火プラグ１２の中心電極に負の高周波電界を印加するアクティブ着火を実行すると、中心電極から接地電極に向けて電子が放出される。このとき、中心電極の構成材料（金属）が電子とともに飛散するものと推測され、中心電極が激しく削られてゆく。だが、接地電極は、中心電極と比較してその損耗が軽微である。
【００３３】
翻って、点火プラグ１２の中心電極に正の高周波電界を印加してアクティブ着火を実行すると、相対的に低電位となる接地電極から中心電極に向けて電子が放出される。このときにも、接地電極の構成材料が電子とともに飛散するものと推測され、接地電極が激しく削られてゆく。だが、中心電極は、接地電極と比較してその損耗が軽微である。
【００３４】
また、飛散した電極の構成材料は、その後中心電極や接地電極に再付着するようである。
【００３５】
上記の事象に鑑み、本実施形態では、アクティブ着火において中心電極に印加するべき高周波電界を切り換えることにより、損耗を被る電極を交互に切り換え、以て点火プラグ１２の寿命の引き延ばしを図る。
【００３６】
加えて、中心電極に負の電界を印加している間は、飛散した構成材料が接地電極に再付着して接地電極の損耗箇所を回復（いわば、電極を再生）することが期待される。中心電極に正の電界を印加している間は、飛散した構成材料が中心電極に再付着して中心電極の損耗箇所を回復することが期待される。
【００３７】
負の高周波電界と正の高周波電界との切り換えは、スイッチ７Ａ、７Ｂのうち何れをＯＮとし何れをＯＦＦとするかによって実現することは言うまでもない。中心電極に高周波電界を印加する時期以外は、両スイッチ７Ａ、７Ｂを切断して構わない。
【００３８】
中心電極に印加する高周波電界の正負の切り換えの具体的な契機は、任意に定めてよい。例えば、一度のトリップ（イグニッションスイッチがＯＮに操作されて内燃機関を始動してから、イグニッションスイッチがＯＦＦに操作されて内燃機関を停止するまでの期間を一トリップとする）毎に切り換えてもよいし、気筒１においてアクティブ着火を実行した回数を計数しておき、その累積回数が所定値に達する度に切り換えてもよい。あるいは、気筒１における混合気の燃焼機会（一サイクル）毎に、印加する高周波電界の正負を切り換えてもよい。
【００３９】
負の電界を発振する第一電界発生装置６Ａ、及び正の電界を発振する第二電界発生装置６Ｂは、各気筒１毎に配備してもよいし（三気筒エンジンであれば、第一電界発生装置６Ａ及び第二電界発生装置６Ｂが三組）、両電界発生装置６Ａ、６Ｂの総数が気筒１の数に合致するように配備してもよい（三気筒エンジンであれば、第一電界発生装置６Ａが一つ（または、二つ）、第二電界発生装置６Ｂが二つ（または、一つ））。
【００４０】
本実施形態では、気筒１の燃焼室内に露出する電極（点火プラグ１２の中心電極）に印加するべき正の電圧を発生させる正電圧発生部６Ｂと、前記電極に印加するべき負の電圧を発生させる負電圧発生部６Ａと、気筒１における一度の燃焼において、前記正電圧発生部６Ｂまたは前記負電圧発生部６Ａの何れか一方を選択的に前記電極に接続し、正電圧発生部６Ｂが発生させる正電圧または負電圧発生部６Ａが発生させる負電圧を当該電極に印加するスイッチング部７とを具備する内燃機関を構成した。
【００４１】
本実施形態によれば、燃焼室内に露出する着火用の電極が一方的に損耗してその寿命が短くなることを抑制することが可能であり、当該内燃機関が搭載された車両等のメンテナンスコストの低減に寄与し得る。
【００４２】
点火プラグ１２の電極の損耗は、気筒１の燃焼室内に臨むアンテナ（点火プラグ１２の中心電極）を介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関において顕著となる。このような内燃機関の、気筒１における一度の燃焼において、前記正電圧発生部６Ｂが発生させる正の電界または前記負電圧発生部６Ａが発生させる負の電界を当該アンテナに印加するようにすれば、点火プラグ１２の長寿命化に奏効し、実用性の向上にとって有利となる。また、気筒１におけるアクティブ着火の累積回数に応じて、当該気筒１に設置された点火プラグ１２の中心電極に印加する高周波電界の正負を切り換えるようにすれば、点火プラグ１２の損耗を適正にコントロール可能となる。
【００４３】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、内燃機関の気筒の燃焼室内でプラズマを生成する目的で燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置（正電圧発生部及び負電圧発生部）として、マイクロ波発生装置等を採用することができる。
【００４４】
マイクロ波発生装置は、車載バッテリを電源とするマグネトロン及びこれを制御する制御回路を要素とする。マイクロ波発生装置は、導波管や同軸ケーブル等を介して点火プラグに電気的に接続しており、マグネトロンが出力するマイクロ波を点火プラグに印加し、その中心電極から気筒の燃焼室内に放射することが可能である。
【００４５】
マグネトロンによるマイクロ波は、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前または火花放電開始直後に印加する。この際、ＥＣＵは、マグネトロンを制御する制御回路に対して、電界（即ち、マイクロ波）発生指令信号を入力する。マグネトロンによるマイクロ波と、点火コイルによる火花放電用の高誘導電圧とを重畳して、点火プラグの中心電極に印加してもよい。
【００４６】
さらに、本発明を、アクティブ着火を実行可能な内燃機関でなく、従来型の火花点火式内燃機関に適用することも考えられる。即ち、点火プラグにおける火花放電を惹起するべく点火プラグの中心電極に高いパルス電圧を印加する火花点火用の回路を複数用意し、その一方を負のパルス電圧を発生させる負電圧発生部、他方を正のパルス電圧を発生させる正電圧発生部とする。そして、スイッチング部を介して、何れかの電圧発生部を選択的に点火プラグの中心電極に接続するようにする。
【００４７】
その他各部の具体的構成は、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】
【００４８】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…気筒
１２…点火プラグ、アンテナ
６Ａ…負電圧発生部
６Ｂ…正電圧発生部
７…スイッチング部
７Ａ…スイッチ
７Ｂ…スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014185535.tif 000005
【図４】
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