(57)【要約】  【課題】電界を生成するための電圧が火花放電のための電圧に重畳することにより、点火プラグの耐久性が低下することを抑制することができる内燃機関の火花点火方法を提供する。  【解決手段】点火プラグを備え、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における火花点火方法であって、容量放電における最高電圧の発生を検知した後に電界を生成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグを備え、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における火花点火方法であって、
容量放電における最高電圧の発生を検知した後に電界を生成する内燃機関の火花点火方法。
【請求項２】
電界は、誘導放電の維持電圧以上の電圧により生成する請求項１記載の内燃機関の火花点火方法。
【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の火花点火方法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】
この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に記載のもののように、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たものが知られている。この特許文献１のものでは、点火プラグを介して供給するマイクロ波により、火花放電とほぼ同時に高周波電界を発生させ、火花放電とプラズマとを反応させて、より強力な火炎核を生成している。
【０００４】
しかしながら、このように火花放電とほぼ同時に高周波電界を発生させると、火花放電における容量放電が高周波電界を生成する高周波電圧に重畳するために、点火プラグに過負荷が加わることになる。この結果、確実に火炎核を生成して着火できるものの、点火プラグの消耗が促進されるものとなった。
【０００５】
又、高周波電界の周波数変化に起因して、プラズマの強度（エネルギ）が大きく変動（振動）してしまうことがある。このように、プラズマの強度が変動すると、その変動に伴って燃焼状態にムラができ、点火プラグに損傷を与えたり不完全な燃焼により排気ガスの質を低下させる場合が生じた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０‐１０１１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は以上の点に着目し、電界を生成するための電圧が火花放電のための電圧に重畳することにより、点火プラグの耐久性が低下することを抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の内燃機関の火花点火方法は、点火プラグを備え、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における火花点火方法であって、容量放電における最高電圧の発生を検知した後に電界を生成することを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、容量放電時の最高電圧が、電界生成のための電圧に重畳することを抑えることで点火プラグに過剰に高い電圧が印加される状況を抑制し、点火プラグの耐久性を保つことが可能になる。しかも、容量放電の最高電圧発生後に電界を生成することで、プラズマによる火炎核の成長を促進させ、燃焼効率を上げることが可能になる。
【００１０】
生成するプラズマを安定させるためには、電界は、誘導放電の維持電圧以上の電圧により生成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、以上説明したような構成であり、容量放電時の最高電圧が、電界生成のための電圧に重畳することを抑えることができるので、点火プラグに過剰に高い電圧が印加される状況を抑制し、点火プラグの耐久性を保つことができる。しかも、容量放電の最高電圧発生後に電界を生成することで、プラズマによる火炎核の成長を促進させ、燃焼効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１４】
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。
【００１５】
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１６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。
【００１６】
この点火プラグ１に接続される点火装置２０は、図２に示すように、第一気筒の点火プラグ１に接続される第一点火コイル２１と、第二気筒の点火プラグ１に接続される第二点火コイル２２と、第一点火コイル２１の二次側巻線２１ａにアノードが接続される第一ダイオード２３と、第二点火コイル２２の二次側巻線２２ａにアノードが接続される第二ダイオード２４と、昇圧トランスであるタップ付変圧器２５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２６とを備えている。高周波電圧発生装置２６は、タップ付変圧器２５と、タップ付変圧器２５に接続される発生装置本体２７と、高周波に基づく電圧を点火プラグ１に印加する時期（タイミング）を制御するためのスイッチング手段２８とを備えている。スイッチング手段２８は、点火プラグ１における放電電圧の最高電圧の発生位置あるいは発生時刻（以下、ピーク時刻と称する）を検出する電子制御装置２９により制御される。
【００１７】
高周波電圧発生装置２６の発生装置本体２７は例えば、車両用のバッテリの電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ−ＤＣコンバータにて３００〜５００Ｖに昇圧し、昇圧された直流をＨブリッジ回路にて周波数が約２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚの交流に変化させる構成であり、高周波電圧発生装置２６はタップ付変圧器２５により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧した高周波を出力する構成である。出力される高周波の電圧は、後述する火花放電における誘導放電を持続させるに十分な、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。すなわち、高周波の電圧が維持電圧より小さいと、高周波の電圧が維持電圧を相殺して、維持電圧が低くなり、誘導放電が早期に減衰するものとなる。
【００１８】
タップ付変圧器２５は、巻数を二分割する位置にタップが形成されている。したがって、二次側巻線２５ａは、同一電圧で、かつ位相が１８０度異なる二つの交流を出力する。タップ付変圧器２５の二次側巻線２５ａが出力手段を構成する。このタップ付変圧器２５の二次側巻線２５ａのタップ２５ｂは、グランド（接地線）２７に接続してあり、二次側巻線２５ａの一方の端部２５ｃは第一ダイオード２３のカソードに接続され、その他方の端部２５ｄは第二ダイオード２４のカソードに接続される。高周波電圧発生装置２６は、前述のような周波数の交流を出力するものであれば、タップ付変圧器２５以外の構成は特にこの実施形態に限られるものではない。
【００１９】
第一及び第二ダイオード２３、２４は、高周波電圧発生装置２６が発生する交流に対しては整流手段として機能するとともに、第一及び第二点火コイル２１、２２が発生する火花放電のための高電圧に対しては、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（２２）の二次側巻線２１ａ（２２ａ）から、点火プラグ１Ａの中心電極１４に負の高電圧が印加されるものである。したがって、第一及び第二ダイオード２３、２４は、そのそれぞれのアノードが対応する二次側巻線２１ａ、２２ａに接続されるので、前記負の高電圧が高周波電圧発生装置２６に逆流することを防止する。
【００２０】
電子制御装置２９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、容量放電における最高電圧の発生を検知した後に電界を生成するように、高周波電圧発生装置２６を制御する火花点火制御プログラムを内蔵している。この火花点火制御プログラムは点火時期毎に実行される。図３に、その制御手順を示す。
【００２１】
火花点火に際して、電子制御装置２９から出力される点火信号が点火コイル２１（２２）のイグナイタに入力されると、点火コイル２１（２２）の二次側巻線２１ａ（２２ａ）から、点火プラグ１Ａ（１Ｂ）の中心電極１４に負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。
【００２２】
容量放電にあっては、ほぼ瞬時に放電電圧が最高電圧に達するもので、電子制御装置２９では、この実施形態の火花点火制御プログラムを実行することにより、まずステップＳ１において、容量放電における最高電圧になった時刻つまりピーク時刻を検出する。ピーク時刻の検出方法としては、放電電圧における微分係数を演算するとともにこの微分係数の変動により行うものや、ウェーブレット変換を用いるものが挙げられ、その分野で知られているものを広く採用することができる。
【００２３】
ステップＳ１においてピーク時刻を検出した場合は、ステップＳ２において、ピーク時刻から所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間は、ピーク時刻から誘導放電に移行する時間、つまり放電電圧が最高電圧になった後に、誘導放電時の電圧になるまでに要する時間に基づいて設定するものであってよい。
【００２４】
ステップＳ２において、所定時間が経過した、つまりピーク時刻の後になったと判定した場合は、ステップＳ３において電界を生成する。具体的には、電子制御装置２９は、スイッチング手段２８がオフ状態からオン状態に変化して、高周波電圧発生装置２６の出力を点火プラグ１に印加するように、高周波電圧発生装置２６のスイッチング手段２８を制御する。
【００２５】
このような構成において、それぞれの気筒における点火時期において、電子制御装置２９が、火花点火における容量放電の際のピーク時刻を検出すると（ステップＳ１）、そのピーク時刻から所定時間後に高周波電圧発生装置２６を制御して高周波を出力し、電界を生成する（ステップＳ２、ステップＳ３）。
【００２６】
高周波電圧発生装置２６のスイッチング手段２８が制御されると、高周波は第一及び第二ダイオード２３、２４によって整流され、それぞれの点火プラグ１Ａ、１Ｂの中心電極１４には負の脈流（電圧）が、エンジン１００の運転中は継続して印加される。したがって、高周波電圧発生装置２６が出力した高周波を半波整流した脈流（電圧）の極性と、火花放電のための負の高電圧の極性とは一致するものである。この場合、第一ダイオード２３により整流されて得られる負の脈流（電圧）と、第二ダイオード２４により整流されて得られる負の脈流（電圧）とは、その位相が１８０度異なっている。
【００２７】
この実施形態では、高周波電圧発生装置２６からの高周波が、第一及び第二ダイオード２３、２４により半波整流されて脈流（電圧）となって中心電極１４に印加され、脈流（電流）が中心電極１４と接地電極１５との間に流れることによって火花放電時の容量放電の後に中心電極１４と接地電極１５との間に電界が生成される。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、すなわち容量放電後の誘導放電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。
【００２８】
すなわち、点火に際しては、点火プラグ１Ａ（１Ｂ）に点火コイル２１（２２）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１Ａ（１Ｂ）の間隙１８間に脈流（電流）が流れることによって電界が発生し、誘導放電と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。
【００２９】
具体的には、点火プラグ１Ａ（１Ｂ）による誘導放電が電界中でプラズマになる。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。
【００３０】
これは、誘導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ラジカルになると共に、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。
【００３１】
このように、容量放電におけるピーク時刻の後に電界の生成を実施することにより、容量放電時の電圧に電界を生成するための脈流の電圧が重畳することがないため、容量放電が不安定になることを防止することができる。しかも、両電圧の重畳により点火プラグ１に過剰な高電圧が印加されることを抑制することができるるので、点火プラグ１の耐久性を保つことができる。しかも、誘導放電中に電界を生成しているので、プラズマによる火炎核の成長を促進させて燃焼効率を上げることができる。これに加えて、電界を生成するための高周波の電圧を、誘導放電の維持電圧以上に設定しているので、電界生成の確実性を高くすることができ、プラズマを安定させることができる。
【００３２】
さらに、この実施形態においては、タップ付変圧器２５を高周波電圧発生装置２６の出力段に用いることにより、各気筒に対してほぼ同じ電圧の交流を出力することができる。このため、このタップ付変圧器２５によりあらかじめ出力する高周波の電圧を高く設定しておくことにより、第一及び第二ダイオード２３、２４における電圧降下分を補償することができ、適切な密度のプラズマを生成することができる。
【００３３】
又、一つの高周波電圧発生装置２６を各気筒の点火プラグ１Ａ、１Ｂにダイオード２３、２４を介して接続しているが、脈流（電流）が点火プラグ１Ａ、１Ｂの中心電極１４と接地電極１５との間の間隙１８に流れるのは、火花放電により間隙間抵抗値が下がる場合のみである。したがって、燃焼行程にない気筒、例えば点火が第一気筒で実行され、第二気筒は火花放電がない圧縮行程にある場合、第二気筒では脈流（電流）は流れないため、交流は消費されない。このため、高周波電圧発生装置２６の消費電力は大きくならず、高周波電圧発生装置２６における消費電力の増加を抑制することができる。
【００３４】
なお、上述の実施形態においては、電界を生成するための高周波に基づく脈流を、ピーク時刻の後に所定時間が経過した時点で点火プラグ１に印加したが、ピーク時刻を検出した後の火花放電の電圧、言い換えれば点火コイルの二次側電圧が、所定電圧以下になった時点を印加するものであってもよい。
【００３５】
また、上記においては、火花放電時に点火プラグ１Ａ、１Ｂの中心電極１４に印加される高電圧が負電圧であるものを説明したが、正電圧であってもよい。この場合、この正電圧に脈流（電圧）の極性を合わせるために、第一ダイオード２３及び第二ダイオード２４はカソードを点火プラグ１Ａ、１Ｂの中心電極１４に接続する。
【００３６】
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。
【００３７】
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】
【００３８】
本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガス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】
【００３９】
１…点火プラグ
２１…点火コイル
１００…エンジン
２９…電子制御装置
２６…高周波電圧発生装置
２０…点火装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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