(57)【要約】      （修正有）【課題】アクティブ点火を実行する内燃機関において、点火プラグの交換頻度を下げて利便性の向上を図る。【解決手段】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点火プラグの中心電極をアンテナと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内燃機関であって、同一の気筒に設置される第一の点火プラグ１２及び第二の点火プラグ１３と、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第一の点火プラグ１２の中心電極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第二の点火プラグ１３の中心電極に向けて出力する第二の半波整流器６５とを具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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点火プラグの中心電極をアンテナと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内燃機関であって、
同一の気筒に設置される第一の点火プラグ及び第二の点火プラグと、
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第一の点火プラグの中心電極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前記第二の点火プラグの中心電極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】
内燃機関の点火プラグの中心電極や接地電極は、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、上述したアクティブ点火法を用いる場合には、その損耗が顕著に早くなるため、頻繁な点火プラグの点検及び交換が必要となる。
【０００６】
本発明は、アクティブ点火を実行する内燃機関において、点火プラグの交換頻度を下げて利便性の向上を図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、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点火プラグの中心電極をアンテナと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内燃機関であって、同一の気筒に設置される第一の点火プラグ及び第二の点火プラグと、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第一の点火プラグの中心電極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前記第二の点火プラグの中心電極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、アクティブ点火を実行する内燃機関において、点火プラグの交換頻度を下げて利便性を向上させることができる。
【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。
【００１１】
各気筒１の燃焼室の天井部には、点火プラグ１２、１３を取り付ける。特に、本実施形態の内燃機関では、一つの気筒１に対して複数の点火プラグ１２、１３を設置している。それらのうちの第一の点火プラグ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。他方、第二の点火プラグ１３は、その中心電極に負の電圧が印加されていわゆるマイナス放電、即ち中心電極から接地電極に向けて電子が移動する態様の放電を惹起する。本実施形態の内燃機関では、気筒１の燃焼室内に充填された混合気に点火するにあたり、第一の点火プラグ１２を使用するか、第二の点火プラグ１３を使用するか、あるいは両方の点火プラグ１２、１３を使用するかを選択することが可能である。
【００１２】
図２に、点火系の電気回路を示している。第一の点火コイル１４は、第一の点火プラグ１２に印加するべき正の電圧を供給するものである。第一の点火コイル１４は、半導体スイッチング素子である第一のイグナイタ１５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ｉ１をイグナイタ１５が受けると、まずイグナイタ１５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１５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。この誘導電圧が第一の点火プラグ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】
同様に、第二の点火コイル１６は、第二の点火プラグ１３に印加するべき負の電圧を供給するものである。第二の点火コイル１６もまた、半導体スイッチング素子である第二のイグナイタ１７とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉ２をイグナイタ１７が受けると、イグナイタ１７が点弧して点火コイル１６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１７が消弧してこの電流が遮断される。すると、点火コイル１６の一次側に高電圧が発生し、二次側にさらに高い負の誘導電圧が発生する。この誘導電圧が第二の点火プラグ１３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。
【００１４】
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、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を通過させる第一の半波整流器６４と、昇圧トランス６３にて昇圧された交流の高周波のうちの負電圧の半波を通過させる第二の半波整流器６５とを構成要素とする。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【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、カソードを第一の点火コイル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、アノードを第二の点火コイル１６との結節点であるミキサ８に接続する。第二の半波整流器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負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１６の二次側から流れ込もうとする負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。
【００１９】
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、１３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を介して第一の点火プラグ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、１３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、１３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。
【００２０】
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。
【００２１】
アクティブ点火を実行する場合の、点火プラグ１２、１３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。
【００２２】
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、１３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。
【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】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
出力インタフェースからは、第一の点火プラグ１２に付随する第一のイグナイタ１５に対して点火信号ｉ１、第二の点火プラグ１３に付随する第二のイグナイタ１７に対して点火信号ｉ２、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。
【００２９】
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ｉ１、ｉ２、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。
【００３０】
本実施形態では、点火プラグ１２、１３の中心電極と接地電極との間に発生する火花放電と点火プラグ１２、１３の中心電極をアンテナと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内燃機関であって、同一の気筒１に設置される第一の点火プラグ１２及び第二の点火プラグ１３と、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第一の点火プラグ１２の中心電極に向けて出力する第一の半波整流器６４と、前記交流発振器から６２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前記第二の点火プラグ１３の中心電極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。
【００３１】
本実施形態によれば、一つの気筒１に設置された複数の点火プラグ１２、１３を適宜切り替えながら使用することができるため、各点火プラグ１２、１３の電極の損耗を遅らせてその延命を図ることが可能となる。従って、点火プラグ１２、１３の点検や交換の頻度が低下し、利便性が向上する。
【００３２】
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、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、１３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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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】
【００３６】
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】
【００３７】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…第一の点火プラグ
１３…第二の点火プラグ
６２…交流発振器
６４…第一の半波整流器
６５…第二の半波整流器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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