(57)【要約】      （修正有）【課題】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点火系において、半波整流に起因する電力の浪費を避けながら、混合気に確実に着火できるようにする。【解決手段】交流の三角波電圧またはノコギリ波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の三角波電圧またはノコギリ波電圧を全波整流しアンテナに向けて出力する全波整流器とを具備する内燃機関を構成した。三角波またはノコギリ波は、全波整流してもその波形が電圧一定の直流電圧からはほど遠い。従って、燃焼室内で発生したプラズマを一つ所に留めておくために適している。【選択図】図３
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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、
交流の三角波電圧またはノコギリ波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の三角波電圧またはノコギリ波電圧を全波整流しアンテナに向けて出力する全波整流器と
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】
従前のアクティブ点火系では、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】
このような電力の浪費を避けるための方策としては、電界発生源から出力される交流電圧を全波整流してアンテナに印加することが考えられる。
【０００７】
しかしながら、矩形波や矩形波に近い交流波形を全波整流した結果得られる電圧波形は、電圧が一定の直流に近いものとなる。気筒の燃焼室内で混合気への確実な着火を実現するには、混合気が電磁波のエネルギを吸収することで生じるプラズマが大きな火炎核に成長するまでの間、プラズマを一つ所に留めておく必要があり、そのためには電圧が頻々に変化する脈流をアンテナに印加しなければならない。アンテナに一定電圧の直流を印加したとすると、燃焼室内に定電場が形成されるので、仮に燃焼室内でプラズマが発生したとしてもこのプラズマは速やかに一方向に移動した後消滅してしまう。つまり、アンテナに印加する電圧の波形が一定電圧の直流に近いほど、プラズマを一つ所に留めておくことが難しくなる。
【０００８】
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避けながら混合気に確実に着火できるように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】
【０００９】
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、交流の三角波電圧またはノコギリ波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の三角波電圧またはノコギリ波電圧を全波整流しアンテナに向けて出力する全波整流器とを具備する内燃機関を構成した。
【００１０】
三角波またはノコギリ波は、全波整流しても電圧一定の直流からはほど遠い脈流となる。これをアンテナに印加することにより、プラズマをある程度以上の期間一つ所に留めておくことができる。着火性能を損なうことなく全波利用によるエネルギ効率の向上を実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、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点火系において、半波整流に起因する電力の浪費を避けながら、混合気に確実に着火することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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三角波発振器の回路図。
【図５】交流の三角波及びこれを全波整流して得られる波形を示す図。
【図６】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図。
【図７】本発明の一変形例における電界発生装置の要素であるノコギリ波発振器の回路図。
【図８】交流のノコギリ波及びこれを全波整流して得られる波形を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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を全波整流する全波整流器６４とを構成要素とする。
【００１６】
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。
【００１７】
本実施形態において、高周波発生回路６２は、交流の三角波を出力する三角波発振器である。図４に、三角波発振器の回路構成例を示す。図示例の三角波発振器は、二個のオペアンプを使用してシュミット回路及び積分回路を構成する既知のものである。この三角波発振器が出力する三角波の周波数は、Ｒ2／（４ＣＲ1Ｒ3）となる。
【００１８】
図３に示しているように、全波整流器６４は、例えば四個のダイオードを使用して交流波形を全波整流し脈流を出力する単相ブリッジ形全波整流器である。図５に、全波整流前の交流の三角波形（図中細い実線で示す）及び全波整流後の脈流の波形（図中太い破線で示す）を例示する。全波整流器６４のダイオードは、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も担う。
【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。
【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】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
図６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。
【００２７】
その上で、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。
【００２８】
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６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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、交流の三角波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の三角波電圧を全波整流しアンテナに向けて出力する全波整流器６４とを具備する内燃機関を構成した。
【００３７】
本実施形態によれば、気筒１の燃焼室内にプラズマを発生させる際、燃焼室内に臨むアンテナに、電圧一定の直流電圧からほど遠い脈流電圧を印加することができる。従って、電磁波のエネルギを吸収して生じたプラズマが大きな火炎核に成長するまでの間、プラズマを一つ所に留めておくことが容易となり、半波整流に起因する電力の浪費を避けながら混合気への着火の確実性を高めることが可能となる。全波利用によるエネルギ効率の向上は、省電力及び燃料消費量の削減に寄与する。また、本実施形態の電界発生装置６は、低コストにて実装することができる。
【００３８】
着火性能が向上する、即ち燃焼不安定ないし失火を引き起こす可能性が減少することは、未燃燃料の排出を原因とするエミッションの悪化の抑制及び触媒４１の溶損の防止につながる。のみならず、要求負荷を充足するために必要十分なエンジントルクを確保できることによるドライバビリティの向上、並びに燃費性能の良化に貢献する。
【００３９】
また、筒内直接噴射式の内燃機関において、未燃燃料が液状となって点火プラグ１２の電極部分に付着することを防止できるので、燃焼不安定ないし失火が反復的に起こることもなくなる。
【００４０】
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を実行して未燃の燃料成分を処理する態様をとることもできる。
【００４１】
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、電界発生装置６の要素となる交流発振器６２は、三角波を出力する三角波発振器には限定されない。交流のノコギリ波を出力するノコギリ波発振器を、交流発振器６２として採用しても構わない。図７に、ノコギリ波発振器の回路構成例を示す。図示例のノコギリ波発振器は、二個のオペアンプを使用してシュミット回路及び積分回路を構成する既知のものである。このノコギリ波発振器が出力するノコギリ波の周波数は、Ｒ3／｛２Ｃ（Ｒ1＋Ｒ2）Ｒ4｝となる。また、図８に、全波整流器６４による全波整流前の交流のノコギリ波形（図中細い実線で示す）及び全波整流器６４による全波整流後の脈流の波形（図中太い破線で示す）を例示している。
【００４２】
交流発振器６２が出力する交流電圧の周波数、またはアンテナに印加する全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。
【００４３】
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。
【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】
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。
【００４６】
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】
【００４７】
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】
【００４８】
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
６２…交流発振器（三角波発振器、ノコギリ波発振器）
６４…全波整流器
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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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