(57)【要約】      （修正有）【課題】筒内直接噴射式の内燃機関において、点火プラグの電極部分に付着した燃料に起因して失火が繰り返される問題を回避する。【解決手段】気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関であり、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燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し燃料に着火するアクティブ点火を実行可能なものであって、気筒の燃焼室内にて燃焼不良が発生したことを感知した場合、その燃焼不良が発生したサイクルと同一のサイクル中にアクティブ点火を実行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】
気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関であり、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燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し燃料に着火するアクティブ点火を実行可能なものであって、
気筒の燃焼室内にて燃焼不良が発生したことを感知した場合、その燃焼不良が発生したサイクルと同一のサイクル中にアクティブ点火を実行する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関に関する。
【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２０１１−０６４１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
筒内直接噴射式の内燃機関にあっては、インジェクタから噴射された燃料が点火プラグの電極部分に付着することがある。この付着した燃料は、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電を阻害する要因となり、失火を引き起こすリスクを高める。そして、一度失火が起こると、次回のサイクル以降も電極に残留する付着燃料によって失火が繰り返される懸念あった。
【０００６】
本発明は、筒内直接噴射式の内燃機関において、点火プラグの電極部分に付着した燃料に起因して失火が繰り返される問題を回避す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】
上述した課題を解決するべく、本発明では、気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関であり、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燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し燃料に着火するアクティブ点火を実行可能なものであって、気筒の燃焼室内にて燃焼不良（燃焼室内に噴射された燃料が十分に燃焼せず未燃の燃料が燃焼室内に残存する状態。燃焼不安定または失火）が発生したことを感知した場合、その燃焼不良が発生したサイクルと同一のサイクル中にアクティブ点火を実行する内燃機関を構成した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、筒内直接噴射式の内燃機関において、点火プラグの電極部分に付着した燃料に起因して失火が繰り返される問題を回避することが可能となる。
【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。
【図５】同実施形態の内燃機関における正常燃焼時のイオン電流の推移を示すタイミング図。
【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。本実施形態における内燃機関は、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。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。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、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誘導電圧が発生する。この高い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。
【００１２】
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のものである。電界発生装置６の具体例としては、高周波の交流電圧を出力する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を出力する脈流電圧発生回路等を挙げることができる。
【００１３】
図３及び図４に示すように、高周波を発生させる電界発生装置６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が出力する直流を交流に変換する高周波発生回路たる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、Ｈブリッジ回路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】
電界発生装置６の出力端には、第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５を介設する。第一ダイオード６４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７に接続している。第二ダイオード６５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、カソードが接地している。これら第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５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脈流化するとともに、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む負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。
【００１６】
因みに、電界発生装置６として脈流電圧発生回路を採用する場合、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。ここに言う脈流電圧は、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や、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等を含む。
【００１７】
電界発生装置６が発生させる高周波電圧は、点火プラグ１２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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
本実施形態において、ＥＣＵ０は、混合気の燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、当該イオン電流信号ｈを参照して燃焼状態の判定を行うことが可能である。
【００２２】
図２に示しているように、本実施形態では、点火系の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。
【００２３】
点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。
【００２４】
図５に、正常燃焼における、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示する。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。そして、筒内圧がピークを迎えるのとほぼ同時に、イオン電流も極大となる。
【００２５】
なお、イオン電流は、点火のための放電中には検出することができない。また、図５に示しているものは、従来型の火花点火によって混合気を燃焼させた際のイオン電流信号ｈの波形である。点火プラグ１２の中心電極から高周波電界を放射するアクティブ点火を実行する場合には、その高周波電界の放射中もイオン電流を検出することができない。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｈ等が入力される。
【００３１】
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、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。
【００３２】
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。
【００３３】
その上で、本実施形態におけるＥＣＵ０は、イオン電流信号ｈを参照し、気筒１の燃焼室内にて燃焼不良が発生していないかどうかを判定する。そして、燃焼不良を感知した場合には、アクティブ点火を実行することで点火プラグ１２の電極部分に付着した燃料を気化または燃焼させて除去するクリーニング処理を行う。
【００３４】
図５に示しているように、ＥＣＵ０は、気筒１の燃焼室内に充填された混合気に点火した後に検出されるイオン電流信号ｈの大きさが閾値を上回っている期間Ｔの長さ（クランク角度（°ＣＡ）単位または秒単位）を計数する。そして、その計数した期間Ｔの長さが判定値以上であれば、当該気筒１の膨張行程において混合気が正常に燃焼したと判定する。翻って、期間Ｔの長さが判定値を下回ったならば、当該気筒１の膨張行程における混合気の燃焼が不良、即ち燃焼不安定または失火が発生したと判定する。
【００３５】
混合気の燃焼不良が発生したと判断したＥＣＵ０は、その燃焼不良の感知後可及的速やかに、当該気筒１においてアクティブ点火（高周波電界の印加及び火花放電）を行う。このアクティブ点火は、燃焼不良が発生したサイクル（吸気−圧縮−膨張−排気の一連を一サイクルとする）と同一のサイクル中に実行することが望ましく、特に、燃料不良が発生した膨張行程と同一の膨張行程の中期ないし後期に実行することが好ましい。
【００３６】
本実施形態では、気筒１の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関であり、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放射される電界とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し燃料に着火するアクティブ点火を実行可能なものであって、気筒１の燃焼室内にて燃焼不良が発生したことを感知した場合にアクティブ点火を実行し、以て点火プラグ１２の電極部分に付着した燃料を除去する内燃機関を構成した。
【００３７】
本実施形態によれば、点火プラグ１２における火花放電の妨げとなる付着燃料を適時に除去できるので、燃焼不良が発生したサイクルの次回以降のサイクルにおける混合気への着火の確実性が増し、燃焼不安定ないし失火が反復的に起こることを回避できる。
【００３８】
加えて、点火プラグ１２の電極に付着した未燃の燃料を燃やし尽くしてエンジントルクに変換することが可能となるため、要求負荷を充足してドライバビリティを向上させることができ、燃費性能の良化にも寄与し得る。
【００３９】
混合気の燃焼の安定性が低下する高ＥＧＲ率運転時や低温時等を除いた平常時は火花放電のみによる点火を行うようにし、燃焼不良を感知したときに限りアクティブ点火による点火プラグ１２のクリーニングを実行する態様をとることもできる。この場合、燃焼室内への電界放射による電力消費を抑制することができる。
【００４０】
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、気筒１の燃焼室内に電界を印加するための電界発生装置６は、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路に限定されない。電界発生装置６としてマイクロ波を出力するマグネトロン等を採用し、気筒１の燃焼室内にマイクロ波電界を印加してアクティブ点火を実行するものとしてもよい。
【００４１】
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。
【００４２】
気筒１の燃焼室内における混合気の燃焼不良の検知手法は、上記実施形態のようなイオン電流信号ｈを参照するものには限定されない。既に述べた通り、イオン電流信号ｈの推移と、筒内圧（気筒１の燃焼室内圧力）または筒内温（燃焼室内温度）の推移との間には相関がある。筒内圧を検出する圧力センサまたは筒内温を検出する温度センサが気筒１に実装されている場合には、当該センサを介して計測される筒内圧または筒内温に基づいて混合気の燃焼が正常であるか不良であるかを判定することが可能である。典型的には、筒内圧または筒内温が閾値を上回っている期間の長さを判定値と比較し、当該期間の長さが判定値を下回ったならば気筒１の燃焼室内で燃焼不良が発生したものと判定する。
【００４３】
燃焼不良の検知手法の他の例としては、内燃機関の回転変動を参照するものが挙げられる。具体的には、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトが所定角度（例えば、３０°ＣＡ）回転するのに要した時間を反復的に計測し、今回計測された所要時間から前回計測された所要時間を減算することで、所要時間の変化量即ち所定角度毎の回転速度の低下量の指標値を得る。そして、当該指標値を判定値と比較し、指標値が判定値を上回ったならば気筒１の燃焼室内で燃焼不良が発生したものと判定する。
【００４４】
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。
【００４５】
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】
【００４６】
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】
【００４７】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
１２…点火プラグ、アンテナ
１３…イグナイタ
１４…点火コイル
６…電界発生装置
７…ミキサ
【図１】
2015187419.tif 000003
【図２】
2015187419.tif 000004
【図３】
2015187419.tif 000005
【図４】
2015187419.tif 000006
【図５】
2015187419.tif 000007