(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグに接続される点火コイルを介して印加される高電圧により生じる火花放電と、高周波電圧発生手段に接続される中心電極を介して燃焼室内に生成される電界とを反応させてプラズマを生成して、混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、
前記高周波電圧発生手段が、一次側に複数の巻線を有する昇圧トランスを備えており、それら複数の一次側巻線にぞれぞれ位相の異なる高周波を印加するものとし、
火花点火式内燃機関の運転状況に応じて、前記複数の一次側巻線のうちの何れかへの高周波の印加を停止することにより、前記高周波電圧発生手段で印加する高周波の波形の間引きを実施する火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に生成される電界と点火プラグによる火花放電により生成される生成物とを反応させてプラズマを生成して燃焼を促進する火花点火式内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば自動車用の内燃機関では、点火プラグの中心電極と接地電極との間に高電圧を印加し、両電極間のギャップに生成する火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火において例えば、火花エネルギが不足して火炎核ができにくい場合が生じたりする。
【０００３】
上記したような火花点火時の不具合を解決するために例えば、特許文献１に記載のものでは、燃焼室内にプラズマを生成し、そのプラズマと火花放電とを反応させることにより、火炎核を確実に生成するようにしている。そしてこの特許文献１のものでは、内燃機関の負荷の変動、特には定常運転状態から定常運転状態に移る際の過渡運転状態に応じて、供給する燃料及び吸入空気量に対応させて、プラズマを生成するための電界の強度を制御する構成である。具体的には、特許文献１では、電界の強度を制御する場合、電界を生成するための電磁波発生装置が出力する電磁波例えばマイクロ波の出力つまり電圧の振幅あるいはその電圧の印加時間を制御するものである。
【０００４】
しかしながら、減速の過渡運転となる場合に電磁波の電圧を下げると、プラズマの生成量が少なくなるために、火花放電により生成される生成物であるイオンや電子等が互いに衝突を繰り返しながら移動し得る範囲が狭くなる。これにより、プラズマにより生成した火炎核を中心にした燃焼が狭い範囲でしか拡大しなくなり、結果として燃焼の促進が抑えられることになった。又、電圧の印加時間を短縮すると、上述の生成物が反応する時間が短縮されることになり、十分な燃焼の促進が望めない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１‐７１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は以上の点に着目し、プラズマを生成して火花点火を行う内燃機関において、その出力変更の要求に対する応答性を改善することで、燃焼効率の向上を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明の火花点火式内燃機関は、点火プラグに接続される点火コイルを介して印加される高電圧により生じる火花放電と、高周波電圧発生手段に接続される中心電極を介して燃焼室内に生成される電界とを反応させてプラズマを生成して、混合気に着火する内燃機関であって、前記高周波電圧発生手段が、一次側に複数の巻線を有する昇圧トランスを備えており、それら複数の一次側巻線にぞれぞれ位相の異なる高周波を印加するものとし、火花点火式内燃機関の運転状況に応じて、前記複数の一次側巻線のうちの何れかへの高周波の印加を停止することにより、前記高周波電圧発生手段で印加する高周波の波形の間引きを実施することを特徴とする。
【０００８】
このような構成によれば、高周波電圧発生手段で印加する高周波の波形は、火花点火式内燃機関の運転状況に応じて間引きすることで、燃焼室内に生成される電界の強度が低くなる。したがって、生成されるプラズマも弱くなり、運転状況に応じた点火の際のエネルギを混合気に対して供給することが可能になり、燃焼効率を向上させることが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、以上説明したような構成であり、運転状況に応じた点火の際のエネルギを混合気に対して供給することができ、燃焼効率を向上させることができる。しかも、高周波電圧発生手段の作動、停止を繰り返すよりもエネルギ損失を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態を適用するエンジンの要部を示す断面図。
【図２】同実施形態における点火装置の電気回路図。
【図３】同実施形態の制御手順を示すフローチャート。
【図４】同実施形態の変形例における点火装置の電気回路図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、点火プラグ１を備える火花点火式内燃機関である二気筒のエンジン１００の一気筒の構成を示すものである。このエンジン１００は、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１を中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１が取り付けられてあり、吸気ポート２には燃焼室６へ供給する混合気を生成するための燃料噴射弁を備える。なお、エンジン１００それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。
【００１３】
この実施形態の点火プラグ１は、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から火花放電が発生する間隙１４だけ離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１５と、イグナイタと点火コイルとが構造上一体にされてなるイグナイタ付点火コイル（以下、点火コイルと称する）２１、２２が電気的に接続される接続端子１７とを基本的に備える。点火プラグ１は、この分野でよく知られたものを用いるものであってよい。
【００１４】
点火プラグ１に接続される点火装置２０は、図２に示すように、点火プラグ１に接続される点火コイル２１と、点火コイル２１の二次側巻線２１ａにカソードが接続されるダイオード２２と、昇圧トランス２３をその出力段に備えて火花点火時の所定時期に、燃焼室６内、特には点火プラグ１の中心電極１４を中心とする領域に電界を生成するための高周波電圧発生装置２４とを備えている。高周波電圧発生装置２４は、昇圧トランス２３と、昇圧トランス２３に接続される高周波発生回路２５と、高周波電圧を少なくともその波高値だけバイアスするバイアス回路２６とを備えている。図中、４０は、車体と同電位にされるグランドである。
【００１５】
昇圧トランス２３は、以下に説明する高周波電圧発生回路２５から出力される二種類の高周波を１０〜２０倍程度に合成して昇圧するとともに、高周波の波形を間引くように機能する。つまり、一次側第一巻線２３ｂと一次側第二巻線２３ｃとに印加される位相が１／２波長異なる高周波を合成することにより、昇圧トランス２３は波形の間引きがない高周波を出力するとともに、一次側第二巻線２３ｃに印加する高周波を停止することにより、波形の間引きを行った形態の高周波を出力する。
【００１６】
高周波発生回路２５は例えば、車両用のバッテリ２７の電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ‐ＤＣコンバータ２８にて３００〜５００Ｖに昇圧し、昇圧された直流をＨブリッジ回路２９にて周波数が約２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚの交流に変化させる構成である。
【００１７】
高周波電圧発生回路２５は例えば、車両用のバッテリ２７の電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ‐ＤＣコンバータ２８にて３００〜５００Ｖに昇圧し、昇圧された直流をＨブリッジ回路２９にて周波数が約１００ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの交流に変化させる構成である。この実施形態の高周波電圧発生回路２５は、上述した構成により主となる高周波つまり昇圧トランス２３の一次側第一巻線２３ｂに印加する高周波（以下、主高周波と称する）を発生させ、その主高周波を１／２波長遅延させる遅延回路（Ｈブリッジ回路２９に内蔵）にて、昇圧トランス２３の一次側第二巻線２３ｃに印加する高周波（以下、副高周波と称する）を発生させている。したがって、主高周波と副高周波とは電圧及び周波数が同一である高周波である。又、主高周波及び副高周波は、デューティ比が０．２５に設定してある。
【００１８】
したがって、高周波電圧発生装置２４は、昇圧トランス２３により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧される、周波数が２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚでデューティ比が０．２５と０．５０の高周波を出力するものである。デューティ比の切り替えつまり波形の間引きは、電子制御装置３０により制御される。なお、出力する高周波の電圧は、火花放電における誘導放電を維持させるに十分な、言い換えれば誘導放電を減衰させない電圧（以下、維持電圧と称する）以上に設定する。これは、高周波の電圧が維持電圧より小さいと、生成される電界の強度が低くなり、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、蛇行しなくなる可能性が生じ、プラズマによる燃焼の促進が低下することを考慮しているためである。
【００１９】
バイアス回路２６は、ＤＣ‐ＤＣコンバータ２８の出力電圧を分圧する抵抗２６ａ、２６ｂにより構成される。バイアス回路２６は、Ｈブリッジ回路２９の基準電圧側に接続されてＨブリッジ回路２９から出力される高周波を、その波高値だけバイアスする。具体的には例えば、Ｈブリッジ回路２９から約２８０Ｖｐ‐ｐの高周波が出力される場合、バイアス回路２６は、１４０Ｖの負極性の直流電圧を出力する。これにより、昇圧トランス２３には、０Ｖから２８０Ｖの間で周期的に変化する負極性の直流電圧（脈流電圧）が入力するものとなる。この結果、昇圧トランス２３したがって高周波電圧発生装置２４は最小値が０Ｖ、最大値が２．８ｋＶで周期的に変化する負極性の、例えば矩形波による直流電圧を出力する。
【００２０】
Ｈブリッジ回路２９は、主となる高周波つまり昇圧トランス２３の一次側第一巻線２３ｂに印加する高周波（以下、主高周波と称する）と、その主高周波を１／２波長遅延させる遅延回路にて、昇圧トランス２３の一次側第二巻線２３ｃに印加する高周波（以下、副高周波と称する）とを発生させている。したがって、主高周波と副高周波とは電圧及び周波数が同一である高周波である。又、主高周波及び副高周波は、デューティ比が０．２５に設定してある。
【００２１】
なお、高周波電圧発生装置２４が出力する負極性の直流電圧は、上述の例に限定されるものではなく、例えば２ｋＶ〜８ｋＶの範囲のものであってよい。
【００２２】
ダイオード２２は、点火コイル２１が発生する火花放電のための高電圧に対して、逆流防止ダイオードとして機能する。すなわち、この実施形態にあっては、燃焼行程において点火を実施する際には、点火コイル２１の二次側巻線２１ａから、点火プラグ１の中心電極１４に正極性の高電圧が印加されるものである。したがって、ダイオード２２は、そのカソードが二次側巻線２１ａに接続され、そのカソードが昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａの一方端に接続されるので、前記負極性の高電圧が高周波電圧発生装置２４に逆流することを防止する。
【００２３】
電子制御装置３０は、エンジン１００に取り付けられる各種のセンサから出力される信号に基づいてエンジン１００の運転状態を制御する運転制御プログラムを内蔵するとともに、火花点火に関しては、エンジン１００の運転状況に応じて高周波電圧発生装置２６で点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５との間に印加する高周波の波形を間引く制御を実施するための高周波制御プログラムを内蔵する。高周波制御プログラムの制御手順を、図３に示す。この高周波制御プログラムは、エンジン１００が始動された後、停止されるまでの間、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００２４】
火花点火に際して、電子制御装置３０から出力される点火信号が点火コイル２１のイグナイタに入力されると、点火コイル２１の二次側巻線２１ａから、点火プラグ１の中心電極１４に負極性の高電圧が印加されて、火花放電が始まる。火花放電が始まると、まず、容量放電による容量火花が生じ、その後に誘導放電による誘導火花が生じる。高周波電圧発生装置２４が出力する高周波は、誘導電圧の発生直前、ほぼ同時、あるいは直後のタイミングで、点火プラグ１に印加する。
【００２５】
まず、ステップＳ１では、エンジン１００の要求出力は所定値以下か否かを判定する。要求出力は、少なくともアクセルの操作量あるいはスロットル弁の開度にもとづいて検出するものである。また所定値は例えば、要求出力の低い低負荷低回転領域を判定し得る値に設定する。
【００２６】
ステップＳ１において、エンジン１００の要求出力が所定値を上回っていると判定した場合は、要求出力が所定値以下となるまで、この判定を繰り返し実行する。この間、高周波電圧発生回路２５が、昇圧トランス２３の一次側第一巻線２３ｂに主高周波を、一次側第二巻線２３ｃに副高周波をそれぞれ印加する。したがって、昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａには、デューティ比は０．２５であるが１周期の間に波形が２個ある、つまり１／２周期毎に波形がある高周波が発生する。したがって、エンジン１００の要求出力が所定値を上回るエンジン１００の運転状況にあっては、波形の間引かれていない高周波により火花点火が実行される。
【００２７】
これに対してステップＳ１においてエンジン１００の要求出力が所定値以下ある場合は、ステップＳ２において、高周波の波形の間引きを実施する。具体的には、高周波電圧発生装置２４が電子制御装置３０から制御信号を受信し、制御信号により高周波電圧発生回路２５が出力する副高周波の一次側第二巻線２３ｃへの印加を停止する。これにより、昇圧トランス２３には、主高周波のみが入力されるものとなる。したがって、高周波電圧発生装置２４から出力される高周波、つまり点火プラグ１に印加する高周波は、要求出力が所定値を上回っているエンジン１００の運転状態に比べて、副高周波の波形が間引かれたことになり、要求出力が所定値を上回っている場合の高周波と同一周波数、同一電圧で、デューティ比が０．２５である高周波となる。
【００２８】
このような構成において、火花点火に際して、電子制御装置３０から出力される点火信号が点火コイル２１のイグナイタに入力されると、点火コイル２１の二次側巻線２１ａから、点火プラグ１の中心電極１４に負極性の高電圧が印加されて、火花放電が始まる。火花放電が始まると、まず、容量放電による容量火花が生じ、その後に誘導放電による誘導火花が生じる。
【００２９】
誘導放電の開始とほぼ同時に、高周波電圧発生装置２４から高周波を中心電極１４に印加する。これによって、中心電極１４を包囲するように負極性の電界が生成される。生成された電界と、中心電極１４と接地電極１５との間に発生する火花放電による生成物とが反応してプラズマが生成され、混合気に着火するものである。
【００３０】
すなわち、点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル２１により火花放電を発生させると、その火花放電に伴って点火プラグ１の間隙１８間に負極性の脈流（電流）が流れることによって負極性の電界が発生し、火花放電（主として誘導放電）と負極性の電界とを反応させてプラズマを生成させることにより、燃焼室６内の混合気を急速に燃焼させる構成である。
【００３１】
具体的には、点火プラグ１による火花放電時に生成される生成物が負極性の電界と反応することによりプラズマになる。この結果、生成したプラズマにて混合気に着火を行うことで火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核が火花放電のみの点火に比べて大きくなるとともに、所定空間内に大量のラジカルが発生することで燃焼が促進される。
【００３２】
これは、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生成物であるプラスイオンやラジカルが、負極性の電界の影響を受けて点火プラグ１の中心電極１４近傍から遠ざかりながら燃焼室６内全域に向かって振動、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。プラス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ラジカルになると共に、プラスイオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換すると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、火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核も大きくなるものである。
【００３３】
このような火花点火にあって、エンジン１００の要求出力が所定値を上回っている運転状況から以下である運転状況に変更する場合に、点火プラグ１に印加する高周波の波形を間引くことにより、その時の運転状況に対応した高周波により高周波電界を生成して、プラズマが生成されるものとなる。つまり、プラズマを生成するのに要するエネルギを、電圧、周波数さらには点火プラグ１への入力時間を変更することなく、減らすことができる。したがって、エンジン１００の運転状況に対応してプラズマ生成のための高周波の変更の応答性がよくなり、燃焼効率を向上させることができる。しかも高周波をその発生装置本体２７側でオンオフするものではないので、その切り替えに伴うエネルギ損失より、エネルギ損失を小さくすることができる。
【００３４】
またこの実施形態の構成においては、負極性の電界を生成する際に、ダイオード２２を高周波の半波整流用に使用する必要がないので、高周波をバイアスした脈流高電圧をダイオード順方向電圧降下分だけ低くすることができ、負極性の電界生成に要するエネルギを低減することができる。加えて、ダイオード２２が発する熱が低くなるので、熱損失を低減することができる。
【００３５】
なお、ダイオード２２の接続位置は、上述した以外に、昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａとグランド４０との間であってもよい。すなわち図４に示すように、ダイオード１２２は、そのカソードを昇圧トランスの二次側巻線２３ａの他方端に接続し、そのカソードをグランド４０に接続する。このようにダイオード１２２を接続することによって、上記実施形態と同様に、火花放電のための高電圧に対して逆流防止ダイオードとして機能する。しかも、昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａに脈流が流れる際にダイオード１２２にかかる電圧が低く、上記実施形態に比べてダイオード１２２における電力消費を小さくすることができる。
【００３６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００３７】
上記実施形態にあっては、運転状況を判定するための単一の所定値を設定したが、複数の判定値を設定して、エンジン１００の要求出力が小さくなるほど波形の間引きを大きくするように構成するものであってもよい。この場合、昇圧トランス２３の一次側巻線を複数にして、それぞれの一次側巻線に位相の異なる交流を印加するように構成すればよい。
【００３８】
又、主高周波と副高周波とは、それぞれ別の高周波電圧発生回路から出力される構成であってもよい。
【００３９】
加えて、波形の間引きは例えば、点火後、火炎核を形成する着火期間と、その後の火炎伝播期間とでその間引き量を異なる設定とするものであってもよい。この場合、着火期間における間引き量より、火炎伝播期間における間引き量を多くする設定とする。このような波形の間引き量の設定にすることにより、火炎伝播に対する障害、すなわち火花放電により生成されるプラスイオンなどと、負極性の高周波の電界との引き合いを緩和させることができる。
【００４０】
波形の間引きを実施するタイミングとしては、エンジン１００の要求出力の変化を判定した場合の、圧縮上死点とするものであってもよい。
【００４１】
上記実施形態においては、高周波をバイアスした負極性の直流電圧を出力する高周波電圧発生装置を説明したが、火花点火のための高電圧が正極性である場合は、高周波電圧発生装置が出力する直流電圧は前記高電圧に対応させて正極性とする。この場合、バイアス回路は、正極性の直流電圧を出力する直流電源、又は上述した抵抗による分圧回路である。
【００４２】
高周波電圧発生装置が出力する脈流の電圧波形は、特に限定されるものではなく、サイン波形、三角波形、方形波形及び鋸歯状波形の何れであってもよい。
【００４３】
また、エンジンの気筒数は、上述の実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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】
【００４５】
本発明の活用例として、ガソリンや圧縮天然ガス等を燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に適用するものが挙げられる。
【符号の説明】
【００４６】
１…点火プラグ
２０…点火装置
２１…点火コイル
２４…高周波電圧発生装置
２５…高周波発生回路
３０…電子制御装置
１００…エンジン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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