(57)【要約】      （修正有）【課題】気筒の燃焼室内に電界を放射してプラズマ生成を促進する内燃機関において、半波整流に起因する電力の浪費を削減してより一層の効率の向上を実現する。【解決手段】気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に電界を放射することが可能なものであって、交流電圧を出力する交流発振器と、交流発振器からもたらされる交流電圧のうちの半波を通過させてアンテナに向けて出力する第一の半波整流器６４と、交流発振器からもたらされる交流電圧のうちの第一の半波整流器６４により遮断される半波を通過させて蓄電器８に向けて出力する第二の半波整流器６５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】
気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に電界を放射することが可能な内燃機関であって、
交流電圧を出力する交流発振器と、
前記交流発振器からもたらされる交流電圧のうちの半波を通過させて前記アンテナに向けて出力する第一の半波整流器と、
前記交流発振器からもたらされる交流電圧のうちの前記第一の半波整流器により遮断される半波を通過させて蓄電器に向けて出力する第二の半波整流器と
を具備する内燃機関。
【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】
一般的な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また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「アクティブ点火（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）。アクティブ点火法によれば、中心電極と接地電極との間の空間に高周波電界また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２０１４−０２９１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上掲のアクティブ点火系を含め、気筒の燃焼室内に高周波電界等を放射してプラズマ生成を促進する従前のシステムでは、電界の発生源である高周波発振器等が出力する交流電圧を、ダイオードを使用した半波整流器を介して半波整流した上で、電界を放射するアンテナ（特に、点火プラグの中心電極）に印加していた。気筒の燃焼室に投入されない、即ち半波整流器により遮断されて混合気のプラズマ化に用いられない半波のエネルギのうち少なくとも一部は、半波整流器において熱となって捨てられてしまっており、電力の浪費となっていた。
【０００６】
本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであって、半波整流に起因する電力の浪費を削減し、より一層効率を向上させることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に電界を放射することが可能な内燃機関であって、交流電圧を出力する交流発振器と、前記交流発振器からもたらされる交流電圧のうちの半波を通過させて前記アンテナに向けて出力する第一の半波整流器と、前記交流発振器からもたらされる交流電圧のうちの前記第一の半波整流器により遮断される半波を通過させて蓄電器に向けて出力する第二の半波整流器とを具備する内燃機関を構成した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、気筒の燃焼室内に電界を放射してプラズマ生成を促進する内燃機関において、半波整流に起因する電力の浪費を削減してより一層の効率の向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の内燃機関の概略構成を示す図。
【図２】同実施形態の内燃機関の点火系の回路図。
【図３】同実施形態の内燃機関の点火系に付随する電界発生装置の構成を説明する図。
【図４】同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】
【００１０】
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。本実施形態の内燃機関は、筒内直接噴射式の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には、その燃焼室に臨む位置に、燃料を噴射するインジェクタ１１を設置している。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。
【００１１】
図２に、点火系の電気回路を示している。本実施形態における点火プラグ１２は、その中心電極に正の電圧が印加されていわゆるプラス放電、即ち接地電極から中心電極に向けて電子が移動する態様の放電を惹起する。点火コイル１４は、点火プラグ１２に印加するべき正の電圧を供給するものであり、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。
【００１２】
内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、点火コイル１４の一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い正の誘導電圧が発生する。この誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電が生じる。
【００１３】
本実施形態の内燃機関では、その点火系に気筒１の燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置６を付設している。この電界発生装置６は、燃焼室内でプラズマを生成する目的で高周波を発生させるものである。図３及び図４に示すように、電界発生装置６は、車載のバッテリ８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８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が出力する直流電圧を利用して交流の高周波を出力する交流発振器たる高周波発生回路６２と、高周波発生回路６２が出力する交流の高周波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。
【００１４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ６１は、ＥＣＵ０からの指令ｌを受けて、高周波発生回路６２に印加する直流の駆動電圧の大きさを変化させることができ、ひいては、昇圧トランス６３の下流における高周波電圧の振幅を変化させることができる。昇圧トランス６３の下流における高周波電圧は、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。
【００１５】
本実施形態において、高周波発生回路６２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流電圧を交流電圧に変換するＨブリッジ回路である。図４に、このＨブリッジ回路の構成例を示している。
【００１６】
しかして、昇圧トランス６３にて昇圧された交流の高周波のうちの正電圧の半波は、第一の半波整流器６４を通過して点火プラグ１２の中心電極に供給される。これに対し、負電圧の半波は、第一の半波整流器６４を通過することはできず、その代わりに第二の半波整流器６５を通過して蓄電器たるバッテリ８に供給される。なお、正電圧の半波が、第二の半波整流器６５を通過することはできない。
【００１７】
第一の半波整流器６４は、例えばダイオードを使用してなるものであり、そのアノードを昇圧トランス６３の二次側巻線の出力信号ラインに接続し、カソードを点火コイル１４との結節点であるミキサ７に接続する。第一の半波整流器６４は、昇圧トランス６３の下流において交流の高周波を半波整流して正電圧の脈流と化すとともに、点火タイミングにおいて点火コイル１４の二次側から流れ込もうとする正の高圧パルス電流を遮る役割を担う。
【００１８】
第二の半波整流器６５もまた、例えばダイオードを使用してなるものであり、そのカソードを昇圧トランス６３の二次側巻線の出力信号ラインに接続し、アノードをバッテリ８に連なる降圧トランス６６の一次側巻線の入力信号ラインに接続する。
【００１９】
第二の半波整流器６５とバッテリ８との間に介在する降圧トランス６６は、第二の半波整流器６５の下流において、アクティブ点火に使用されない高電圧の脈流即ち負電圧の半波をバッテリ８を充電するのに適した１２Ｖ〜１５Ｖの電圧に降圧するものである。降圧トランス６６の二次側巻線から出力する電圧の正負は、バッテリ８の電極端子に印加可能な（バッテリ８の電極と矛盾しない）極性にする必要がある。一般的な車載バッテリ８は、正電極端子が電気負荷及び発電機（オルタネータまたはモータジェネレータ）を含む電装系に接続し、負電極端子が接地されている。よって、二次側巻線から正電圧が出力されてバッテリ８の正電極端子に印加されるよう、降圧トランス６６の一次側巻線及び二次側巻線の巻く方向を設定しておく。
【００２０】
電界発生装置６が発生させる高周波の脈流電圧は、点火プラグ１２の中心電極に印加する。より具体的には、正の脈流電圧をミキサ７を介して点火プラグ１２の中心電極に印加し、負の脈流電圧をミキサ８を介して第二の点火プラグ１３の中心電極に印加する。つまり、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を行う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】
アクティブ点火を実行する場合の、点火プラグ１２の中心電極に高周波を印加するタイミングは、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である。
【００２３】
勿論、本実施形態の内燃機関は、アクティブ点火ではない従来型の火花点火、即ち点火プラグ１２の中心電極からの高周波電界の放射を伴わない火花放電によって混合気に着火することもできる。安定的に着火して燃焼させることが容易な（燃焼不良に陥りにくい）状況下では、従来型の火花点火を実行することとして電力消費を抑制することが考えられる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。
【００２７】
内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０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。
【００２８】
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、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ｇ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。
【００２９】
出力インタフェースからは、点火プラグ１２に付随するイグナイタ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、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１に対して当該ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する駆動電圧の大きさを指令する電圧指令信号ｌ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｍ等を出力する。
【００３０】
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、燃焼室内に高周波電界を印加するか否かやその電界の強度、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）等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。
【００３１】
本実施形態では、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電界を放射することが可能な内燃機関であって、交流電圧を出力する交流発振器６２と、前記交流発振器６２からもたらされる交流電圧のうちの半波を通過させて前記アンテナに向けて出力する第一の半波整流器６４と、前記交流発振器６２からもたらされる交流電圧のうちの前記第一の半波整流器６４により遮断される半波を通過させて蓄電器８に向けて出力する第二の半波整流器６５とを具備する内燃機関を構成した。
【００３２】
本実施形態によれば、従来半波整流器６４において熱となって無駄に捨てられていた半波のエネルギを蓄電器８に蓄電し、当該蓄電器８から車両の電装系等に供給できるようになる。従って、車両全体のエネルギ効率が高まり、省電力及び燃料消費の削減に寄与する。また、半波整流器６５（及び、降圧トランス６６）は、低コストにて実装が可能である。
【００３３】
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、蓄電器８はバッテリには限定されず、キャパシタであることがある。
【００３４】
上記実施形態では、交流の高周波電圧のうちの正電圧の半波を点火プラグ１２の中心電極に印加して混合気中のプラズマ生成を促進していたが、負電圧の半波を点火プラグ１２の中心電極に印加して混合気中のプラズマ生成を促進する態様も当然にとり得る。その場合には、混合気への着火に用いられる負電圧の半波を第一の半波整流器６４にて取り出すとともに、混合気への着火に用いられない正電圧の半波を第二の半波整流器６５にて取り出し、バッテリ８の電極端子に印加することとなる。
【００３５】
また、混合気への着火に用いられない半波を正電圧化して（または、混合気への着火に用いられない正電圧の半波を第二の半波整流器６５にて取り出し）バッテリ８の正電極端子に印加するだけでなく、混合気への着火に用いられない半波を負電圧化して（または、混合気への着火に用いられない負電圧の半波を第二の半波整流器６５にて取り出し）バッテリ８の負電極端子に印加することも可能である。
【００３６】
交流発振器６２が出力する交流電圧の周波数、または点火プラグ１２の中心電極に印加する半波整流後の脈流の周波数は、高周波帯には限定されず、マイクロ波帯等に属していてもよい。
【００３７】
上記実施形態では、点火プラグ１２の中心電極を電界放射用のアンテナとしていたが、点火プラグ１２とは別体のアンテナを気筒１に設け、これを介して気筒１の燃焼室内に高周波電界またはマイクロ波電界を放射してもよい。
【００３８】
本発明の適用対象となる内燃機関は、いわゆるガソリン直噴エンジンには限定されない。ディーゼルエンジンや、ＨＣＣＩ（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）エンジン等に、本発明を適用することも当然に考えられる。
【００３９】
さらには、本発明を、吸気ポートに対して燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関に適用することも許される。
【００４０】
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】
【００４１】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関として利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ、アンテナ
６２…交流発振器
６４…第一の半波整流器
６５…第二の半波整流器
８…蓄電器（バッテリ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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