(57)【要約】      （修正有）【課題】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おいて、混合気の着火及び燃焼の安定化を図る。【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、燃焼室内に臨むアンテナ１２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、膨張行程を迎える前の気筒において、複数回に亘って燃料を噴射する多段噴射期間中に燃焼室内への電界の放射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、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、
膨張行程を迎える前の気筒において、複数回に亘って燃料を噴射する多段噴射期間中に燃焼室内への電界の放射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、車両等に搭載される内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（例えば、下記特許文献を参照）では、一回のサイクルにおいて複数回に亘って燃料を噴射する多段噴射を実行することができる。
【０００３】
多段噴射を通じて燃焼室内で噴射燃料を十分かつ適正に拡散させ、燃焼室内の雰囲気を所望の状態として混合気の適切な燃焼を実現するためには、多段噴射における各回の燃料噴射のタイミング（燃料噴射間隔）及び燃料噴射量の精密な制御が必要となる。燃料噴射タイミングのずれや燃料噴射量のばらつきは、混合気への着火若しくは混合気の燃焼の不安定化、または失火の原因となり得る。
【０００４】
高速応答可能なピエゾ素子（圧電素子）等をインジェクタの弁体として使用すれば、燃料噴射タイミング及び燃料噴射量を精密に制御することが可能である。だが、そのような素子の採用はコストの騰貴を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１７７８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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おいて、混合気の着火及び燃焼の安定化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、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、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、膨張行程を迎える前の気筒において、複数回に亘って燃料を噴射する多段噴射期間中に燃焼室内への電界の放射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ける混合気の着火及び燃焼の安定化を図り得る。
【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、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４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒エンジン。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。点火コイル１４は、点火プラグ１２に印加するべき火花放電用の高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。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。
【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。より詳しく述べると、本実施形態の内燃機関は、混合気の火花点火燃焼を実施するにあたり、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、気筒１の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、燃焼室内にプラズマを生成して燃料に着火する「アクティブ点火（アクティブ着火）」を実行することができる。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が生成される。電界発生装置６は、このアクティブ点火を実行するための設備である。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が挙げられる。
【００１３】
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】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
電界発生装置６が発生させる高周波の脈流電圧は、ミキサ７を介して点火プラグ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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【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ブレーキスイッチまたはマスタシリンダ圧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。
【００２７】
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。
【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。
【００２９】
並びに、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドルストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータ（セルモータ）またはモータジェネレータ。図示せず）に制御信号ｏを入力し、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。
【００３０】
しかして、本実施形態では、気筒１の吸気行程ないし膨張行程中に複数回に亘ってインジェクタ１１から燃料を噴射する多段噴射期間中に、電界発生装置６が出力する高周波電界をアンテナたる点火プラグ１２の中心電極に印加し、これを当該気筒１の燃焼室内に放射することとしている。
【００３１】
多段噴射では、一つの気筒１の一回のサイクル（吸気−圧縮−膨張−排気の一連を一サイクルとする）内で、インジェクタ１１から二回以上の燃料噴射を行う。その上で、各燃料噴射機会の間のインターバル、即ちインジェクタ１１から燃料が噴出していない時期に、当該気筒１の燃焼室内に高周波電界を印加することで、燃焼室内に存在する（同一サイクルにおける先の燃料噴射機会に噴射された燃料を含む）混合気中にイオンやラジカルを発生させる。いわば、混合気を活性化させて、燃焼室内に着火燃焼させやすい雰囲気を構築する。混合気の活性化は、火炎伝播の加速にも寄与し得る。ここに言う混合気の活性化のための高周波電界の印加は、上述したアクティブ点火のための電界の印加とは別のものであり、混合気に着火する前即ち混合気の燃焼が開始される前に実行する。
【００３２】
また、燃焼室内に高周波電界を放射するタイミング、及び／または、高周波電界を放射する時間の長さを調節することを通じて、混合気に着火するタイミングや混合気の燃焼時間を操作することも可能である。
【００３３】
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、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ものであって、膨張行程を迎える前の気筒１において、複数回に亘って燃料を噴射する多段噴射期間中に燃焼室内への電界の放射を実行する内燃機関を構成した。
【００３４】
本実施形態によれば、高価なピエゾ素子等をインジェクタ１１の弁体に使用することなしに、混合気の着火燃焼を安定化させることができる。並びに、混合気の燃焼が開始されるタイミングを操作することも可能となる。従って、内燃機関の熱機械変換効率の一層の向上を実現することが期待できる。加えて、インジェクタ１１の高速応答性及び噴射タイミング制御の高度な精密化が不要になり、低コスト化に寄与し得る。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、天然ガス直噴エンジン等に、本発明を適用することも当然に考えられる。
【００３８】
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】
【００３９】
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】
【００４０】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ、アンテナ
６…電界発生装置
７…ミキサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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