(57)【要約】【課題】内燃機関の安定した点火性を確保する。【解決手段】点火時の筒内ガス密度が所定密度以下の場合や（Ｓ２）、点火時の筒内ガス温度が所定温度以下の場合や（Ｓ３）、内燃機関１の回転速度が所定回転速度以上の場合には（Ｓ４）、低温プラズマと熱プラズマの双方により燃焼室２内の混合気の点火が行われるよう第１点火プラグ７及び第２点火プラグ８を制御する。これによって、低温プラズマによる点火性が悪化する運転条件では、熱プラズマによる点火で生じた火炎の伝播を利用することで、低温プラズマによる点火性の悪化を抑制することができる。そのため、幅広い運転条件で、燃焼室２内の比較的広い範囲で混合気を点火する低温プラズマの良好な点火性を確保することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温プラズマを発生させて筒内の混合気に点火する第１点火手段と、
熱プラズマを発生させて筒内の混合気に点火する第２点火手段と、
筒内ガス状態を検出する筒内ガス状態検知手段と、を有する内燃機関の点火制御装置において、
点火時期における筒内ガス密度が所定密度以下、点火時期における筒内温度が所定温度以下、内燃機関の回転速度が所定回転速度以上、内燃機関の負荷が所定負荷以下のいずれかの場合には、熱プラズマにより混合気を点火させた後に低温プラズマにより混合気が点火するように、上記第１点火手段及び上記第２点火手段の双方を駆動することを特徴とする内燃機関の点火制御装置。
【請求項２】
低温プラズマによる点火時期は、低温プラズマを発生させた際に形成される活性化学種が消滅せずに混合気の点火に使われるよう、熱プラズマによる点火で未燃焼領域である低温プラズマの放電領域のガス密度が上昇した時期に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火制御装置。
【請求項３】
低温プラズマによる点火時期は、熱プラズマによる点火で形成される火炎の伝播により、低温プラズマの放電領域の混合気が既燃ガスとなる前となるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の点火制御装置。
【請求項４】
上記第１点火手段により低温プラズマを発生させる低温プラズマ発生期間は、
低温プラズマを発生させた際に形成される活性化学種が消滅せずに混合気の点火に使われるようになる低温プラズマ発生開始時期から、熱プラズマによる点火で未燃焼領域である低温プラズマの放電領域のガス密度が上昇した時期から、熱プラズマによる点火で形成される火炎の伝播により、低温プラズマの放電領域の混合気が既燃ガスとなる低温プラズマ発生終了時期までの範囲内に設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずかに記載の内燃機関の点火制御装置。
【請求項５】
低温プラズマを発生させて筒内の混合気に点火する第１点火手段と、
熱プラズマを発生させて筒内の混合気に点火する第２点火手段と、
筒内ガス状態を検出する筒内ガス状態検知手段と、を有し、
点火時期における筒内ガス密度が所定密度以下、点火時期における筒内温度が所定温度以下、内燃機関の回転速度が所定回転速度以上、内燃機関の負荷が所定負荷以下のいずれかの場合には、熱プラズマにより混合気を点火させた後に低温プラズマにより混合気が点火するように、上記第１点火手段及び上記第２点火手段の双方を駆動することを特徴とする内燃機関の点火制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の点火制御装置及び点火制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内の混合気に火花点火するにあたって、コロナ放電による混合気の点火と、アーク放電による混合気の点火を比較すると、コロナ放電は比較的広範囲の放電なのに対し、アーク放電が局所的な放電となる。そのため、コロナ放電による点火では、アーク放電による点火に比べて燃焼室内の燃焼速度を高めることができる。
【０００３】
そこで、特許文献１では、急速燃焼を要するような運転条件、例えば燃焼が比較的不安定になりやすい低負荷、低回転のような運転条件では、コロナ放電による点火を行うことで燃焼速度を高めている。そして、急速燃焼を回避すべき運転条件、例えば燃焼速度が過大になると燃焼騒音等のような運転性を悪化させる虞がある高負荷、高回転のような運転条件では、アーク放電による点火を行うことで燃焼速度が過大になることを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２１４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明の発明者により、点火時期における筒内ガス密度が比較的に高い領域では、コロナ放電により発生させた低温プラズマによる点火が、アーク放電により発生させた熱プラズマによる点火よりも着火遅れ期間を短縮することができるものの、点火時期における筒内ガス密度が所定値以下の場合や、筒内温度が所定値以下の場合、あるいは内燃機関の回転速度が所定値以上の場合には、コロナ放電により発生させた低温プラズマによる点火が、アーク放電により発生させた熱プラズマによる点火よりも着火遅れ期間を悪化させる（短縮できない）ことが知見された。
【０００６】
また、特許文献１においては、低温プラズマによる点火と熱プラズマによる点火の使い分けであり、低温プラズマによる点火と熱プラズマによる点火を同時期に実施するものではない。
【０００７】
そこで、本発明は、低温プラズマによる筒内の混合気の点火と、熱プラズマによる筒内の混合気の点火と、を同時期に実施することで、全運転条件で安定した点火性を確保しつつ、安定した燃焼を実現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】
本発明の内燃機関の点火制御装置は、点火時期における筒内ガス密度が所定密度以下、点火時期における筒内温度が所定温度以下、内燃機関の回転速度が所定回転速度以上、内燃機関の負荷が所定負荷以下のいずれかの場合には、熱プラズマにより混合気を点火させた後に低温プラズマにより混合気が点火することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低温プラズマのみを発生させただけでは点火性が悪化する運転条件において、低温プラズマによる点火性の悪化を抑制することができ、幅広い運転条件で、燃焼室内の比較的広い範囲で混合気を点火する低温プラズマの良好な点火性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明が適用された内燃機関の概略構成を模式的に示した説明図。
【図２】低温プラズマによる点火特性と熱プラズマによる点火特性とを比較して示した特性図。
【図３】低温プラズマの発生時期を模式的に示した説明図。
【図４】本発明の第１実施例の点火制御装置における制御の流れを示すフローチャート。
【図５】本発明の第２実施例の点火制御装置における制御の流れを示すフローチャート。
【図６】点火領域算出マップの他の設定例を示す説明図。
【図７】点火領域算出マップの他の設定例を示す説明図。
【図８】点火領域算出マップの他の設定例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明が適用された内燃機関の概略構成を模式的に示した説明図である。
【００１２】
内燃機関１の燃焼室２は、シリンダヘッド３の下面とシリンダブロック４のシリンダ５内壁面と、シリンダ５内を往復運動するピストン６の冠面によって画成される。
【００１３】
そして、この燃焼室２には、低温プラズマを発生させることで燃焼室２内の混合気を点火する第１点火手段としての第１点火プラグ７と、熱プラズマを発生させることで燃焼室２内の混合気を点火する第２点火手段としての第２点火プラグ８とが、個別に設けられている
第１点火プラグ７は、燃焼室２の頂部中央に設けられており、燃焼室２の頂部壁面よりも燃焼室２内に突出するよう配置された中心電極９と、中心電極９の外周側に位置し、燃焼室２に対して先端が露出するよう配置された外側電極１０と、中心電極９を保持する絶縁碍子１１と、を有している。
【００１４】
この第１点火プラグ７は、ディストリビュータ１２、高電圧発生装置１３を介してＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１４に接続されている。高電圧発生装置１３は、例えば高電圧のＲＦ電源や繰り返しナノパルス電圧を発生させる高電圧のナノパルス電源であり、ＥＣＵ１４によって適切な時期に適切な期間、高電圧が発生するよう制御され、高電圧発生装置１３で発生した電圧は、ディストリビュータ１２によって点火時期となる気筒に印加される。
【００１５】
第２点火プラグ８は、燃焼室２の頂部外周側に設けられており、燃焼室２の頂部壁面よりも燃焼室２内に突出するよう配置された中心電極１５と、中心電極１５先端と対向する外側電極１６と、を有し、中心電極１５と外側電極１６との間で放電して火花（熱プラズマ）を発生させることで混合気を点火するものである。
【００１６】
この第２点火プラグ８は、ディストリビュータ１７、点火コイル１８、電源１９を介してＥＣＵ１４に接続されている。点火コイル１８は、この点火コイル１８の一次電流の通電と遮断がＥＣＵ１４によって制御され、これによって点火コイル１８の二次側に適切な時期に高電圧を発生させている。そして、点火コイル１８の二次側に発生した高電圧は、ディストリビュータ１７によって点火時期となる気筒に印加される。
【００１７】
ＥＣＵ１４は、マイクロコンピュータを内蔵し、内燃機関１の種々の制御を行うものであり、内燃機関１の回転速度（エンジン回転速度）を検知する回転速度センサ２１、吸入空気量を検知するエアフローメータ２２、冷却水温度を検知する冷却水温度センサ２３、吸気通路内の吸気圧を検知する吸気圧センサ２４、吸気通路内の吸気温度を検知する吸気温度センサ２５、アクセル開度から内燃機関１への要求負荷を検知するアクセルペダルセンサ２６等の各種センサからの信号が入力されている。
【００１８】
第１点火プラグ７は、ＲＦ電源やナノパルス電源により高電圧を印加することで、中心電極９の先端周りに不均一な電界を生じさせ、コロナ放電による低温プラズマを比較的広い範囲に発生させる。そのため、低温プラズマによる点火では、比較的広い範囲で混合気が点火される。低温プラズマとは、プラズマ中の電子温度のみが非常に高い熱的に非平衡な状態である。
【００１９】
第２点火プラグ８は、中心電極１５と外側電極１６との間のアーク放電により熱プラズマを発生させる。アーク放電では、中心電極１５と外側電極１６とが電気的に短絡し、短絡された部位を通して大電流が流れ、一本のアークが生成される。このアークは高温を発生するものであり、このアークを形成する過程が熱プラズマと呼ばれる。そのため、熱プラズマによる点火では、混合気の着火は局所的なものとなり、燃焼室２全体に火炎が拡がるまでに要する距離（火炎伝播距離）が相対的に長くなる。
【００２０】
ここで、点火時期における筒内ガス密度が比較的に高い領域では、コロナ放電により発生させた低温プラズマによる点火が、アーク放電により発生させた熱プラズマによる点火よりも着火遅れ期間を短縮することができるものの、点火時期における筒内ガス密度が所定密度以下のときや、筒内温度が所定温度以下のとき、あるいは内燃機関の回転速度が所定回転速度以上のときには、コロナ放電により発生させた低温プラズマによる点火が、アーク放電により発生させた熱プラズマによる点火よりも着火遅れ期間を短縮できない（点火性が悪化する）ことが発明者によって知見された。
【００２１】
図２は、一例として、縦軸を着火遅れ期間、横軸を点火時の筒内ガス密度として、低温プラズマによる点火特性と熱プラズマによる点火特性とを比較して示した特性図である。この図２に示すように、点火時の筒内ガス密度が比較的高い領域では、低温プラズマによる点火は、熱プラズマによる点火よりも着火遅れ期間を短縮することができるが、点火時の筒内ガス密度が小さいと、熱プラズマに対して点火性が悪化する。また、低温プラズマの点火性能と熱プラズマの点火性能が同じとなる筒内ガス密度をρ１とすれば、内燃機関の回転速度が速くなるほど、このρ１は大きくなる傾向がある。
【００２２】
そこで、第１実施例における点火制御装置では、点火時の筒内ガス密度が所定密度よりも大きい場合に、点火時の筒内ガス温度が所定温度よりも大きく、かつ内燃機関１の回転速度が所定回転速度よりも小さい場合には、低温プラズマのみにより燃焼室２内の混合気の点火が行われるよう第１点火プラグ７を制御する。そして、点火時の筒内ガス密度が上記所定密度以下の場合や、点火時の筒内ガス温度が上記所定温度以下の場合や、内燃機関１の回転速度が上記所定回転速度以上の場合には、低温プラズマと熱プラズマの双方により燃焼室２内の混合気の点火が行われるよう第１点火プラグ７及び第２点火プラグ８を制御する。
【００２３】
低温プラズマと熱プラズマの双方により燃焼室２内の混合気に点火する場合には、第１点火プラグ７により低温プラズマを発生させるタイミングのときに、燃焼室２内の低温プラズマを発生させる空間（低温プラズマの放電領域）の状態が低温プラズマで点火し易い状態となるように、低温プラズマを発生させるのに先だって、第２点火プラグ８で熱プラズマを発生させ、熱プラズマにより混合気に点火する。
【００２４】
ここで、図３を用いて、低温プラズマと熱プラズマの双方により燃焼室２内の混合気に点火する場合の低温プラズマの発生時期に関して詳述する。
【００２５】
低温プラズマを発生させる前に熱プラズマにより混合気を点火すると、熱プラズマにより点火した部分の混合気が既燃ガスとなって膨張し、それに伴い未燃焼領域の混合気のガス密度が上昇するため、低温プラズマを発生させる空間の状態が低温プラズマで点火し易い状態となる。
【００２６】
ただし、熱プラズマによる点火から低温プラズマによる点火までの時間が短すぎると、未燃焼領域のガス密度が十分に上昇する前に、低温プラズマにより形成した活性化学種が消滅してしまい、低温プラズマによる点火性が向上しない。そこで、熱プラズマによる点火で形成される火炎の伝播により低温プラズマを発生させる空間のガス密度が上昇し、低温プラズマを発生させた際に形成される活性化学種が消滅せずに混合気の点火（酸化反応）に有効に使われる時期以降に、低温プラズマを発生させて、低温プラズマによる点火を行う。
【００２７】
また、熱プラズマによる点火から低温プラズマによる点火までの時間が長くなりすぎると、低温ブラズマを発生させる空間に、熱プラズマによる点火で生じた火炎が到達し、低温ブラズマを発生させる空間内の混合気が既燃ガスになってしまう。そこで、熱プラズマによる点火で生じた火炎が到達し、低温プラズマを発生される空間内の混合気が既燃ガスとなるような時期よりも前に、低温プラズマを発生させて、低温プラズマによる点火を行う。
【００２８】
従って、低温プラズマと熱プラズマの双方により燃焼室２内の混合気に点火する場合、熱プラズマによる点火で形成される火炎の伝播により低温プラズマを発生させる空間のガス密度が上昇し、低温プラズマを発生させた際に形成される活性化学種が消滅せずに混合気の点火（酸化反応）に有効に使われる時期以降で、熱プラズマによる点火で生じた火炎が到達し、低温プラズマを発生される空間内の混合気が既燃ガスとなるような時期よりも前となるような期間内（例えば、図３の低温プラズマ発生期間）に、第１点火プラグ７で低温プラズマを発生させる。
【００２９】
なお、運転条件からＥＣＵ１４で算出される目標点火時期は、低温プラズマによる点火時期である。つまり、基準となる点火時期は、第１点火プラグ７による低温プラズマの点火時期であり、低温プラズマと熱プラズマの双方により燃焼室２内の混合気に点火する場合には、この基準となる点火時期に低温プラズマにより混合気が点火するように、第２点火プラグ８の点火時期が設定される。
【００３０】
このような第１実施例の点火制御装置においては、低温プラズマによる点火性が悪化する運転条件では、熱プラズマによる点火で生じた火炎の伝播を利用することで、低温プラズマによる点火性の悪化を抑制することができ、幅広い運転条件で、燃焼室２内の比較的広い範囲で混合気を点火する低温プラズマの良好な点火性を確保することができる。
【００３１】
また、低温プラズマの発生開始から終了までは、低温プラズマによる点火により、低温プラズマにより比較的広い領域で混合気を点火することができる。
【００３２】
なお、筒内ガス密度は、例えば、点火時期、吸入空気量、内燃機関１の回転速度から筒内ガス密度が算出されるマップを実験を通して予め作成し、ＥＣＵ１４内のＲＯＭに格納しておくことで、このマップを参照して推定可能である。但し、筒内ガス密度の算出方法は、この方法に限定されるものではなく、例えば、筒内ガス圧力と筒内ガス温度から気体の状態方程式を利用して算出するようにしてもよい。点火時期における筒内ガス圧力Ｐｉｇｎは、吸気圧をＰ１、点火時期における有効圧縮比をεｉｇｎ、比熱比ｋとすれば、Ｐｉｇｎ＝Ｐ１×εｉｇｎkとなる。また、点火時期のおける筒内ガス温度Ｔｉｇｎは、吸気温度Ｔ１、吸気温度の補正項をα、点火時期における有効圧縮比をεｉｇｎ、比熱比ｋとすれば、Ｔｉｇｎ＝（Ｔ１＋α）×εｉｇｎ(k-1)となる。
【００３３】
図４は、第１実施例の点火制御装置における制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ１では、ＥＣＭ１４に入力された各種情報に基づいて目標トルク、エンジン回転速度（内燃機関１の回転速度）、点火時期を算出する。Ｓ２では、上述したような既知の方法で点火時の筒内ガス密度を算出し、算出された筒内ガス密度が予め設定された上記所定密度以下であるか否かを判定する。筒内ガス密度が上記所定密度以下であればＳ６へ進み、そうでない場合にはＳ３へ進む。Ｓ３では、上述したような既知の方法で点火時の筒内ガス温度を算出し、算出された筒内ガス温度が予め設定された上記所定温度以下であるか否かを判定する。筒内ガス温度が上記所定温度以下であればＳ６へ進み、そうでない場合にはＳ４へ進む。Ｓ４では、現在のエンジン回転速度が予め設定された上記所定回転速度以上であるか否かを判定する。エンジン回転速度が上記所定回転速度以上の場合にはＳ６へ進み、そうでない場合にはＳ５へ進む。Ｓ５では、低温プラズマによる混合気の点火を実施する。Ｓ６では、熱プラズマによる混合気の点火と、低温プラズマによる混合気の点火の双方を実施する。
【００３４】
また、低温プラズマによる点火を行うのか、熱プラズマによる点火と低温プラズマよる点火の双方を行うのかを判定するにあたっては、図５に示す第２実施例のように、エンジン負荷（目標トルク）とエンジン回転速度に応じて低温プラズマによる点火領域と熱プラズマ及び低温プラズマの双方による点火領域とが割り付けられた点火領域算出マップを用いることも可能である。
【００３５】
図５は、第２実施例の点火制御装置における制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ１１では、ＥＣＭ１４に入力された各種情報に基づいて目標トルク、エンジン回転速度（内燃機関１の回転速度）、点火時期を算出する。Ｓ１２では、上述したような既知の方法で点火時の筒内ガス温度を算出し、算出された筒内ガス温度が予め設定された上記所定温度以下であるか否かを判定する。筒内ガス温度が上記所定温度以下であればＳ１３へ進み、そうでない場合にはＳ１４へ進む。Ｓ１４では、エンジン負荷とエンジン回転速度に応じて低温プラズマによる点火領域と熱プラズマ及び低温プラズマの双方による点火領域とが割り付けられた点火領域算出マップを用いて、現在の運転条件が低温プラズマによる点火領域であるか熱プラズマ及び低温プラズマの双方による点火領域であるかの判定を実施する。
【００３６】
Ｓ１４で用いる点火領域算出マップは、エンジン回転速度が低回転速度でエンジン負荷が低、中、高負荷とき、エンジン回転速度が中回転速度でエンジン負荷が中、高負荷とき、エンジン回転速度が高回転速度でエンジン負荷が高負荷のときに低温プラズマによる点火領域となるよう設定され、エンジン負荷が極低負荷のとき、エンジン回転速度が中回転速度でエンジン負荷が低負荷のとき、エンジン回転速度が高回転速度でエンジン負荷が低、中負荷のとき、エンジン回転速度が極高回転速度ときに熱プラズマ及び低温プラズマの双方による点火領域となるよう設定されている。
【００３７】
Ｓ１４での判定結果が、低温プラズマによる点火領域である場合にはＳ１５へ進み、熱プラズマ及び低温プラズマの双方による点火領域である場合にはＳ１３へ進む。そしてＳ１５では、低温プラズマによる混合気の点火を実施する。一方、Ｓ１３では、熱プラズマ及び低温プラズマの双方による混合気の点火を実施する。
【００３８】
このような第２実施例においても、上述した第１実施例と略同様の作用効果を得ることができる。
【００３９】
なお、この第２実施例においては、点火時の筒内ガス温度に代えて、点火時の冷却水温度またはエンジンオイルの油温を用いてもよい。すなわち、図５のＳ１２において、例えば、冷却水温度が予め設定された所定水温以下の場合や、油温が予め設定された所定油温以下の場合には、Ｓ１３へ進み、そうでない場合にはＳ１４へ進むようにしてもよい。
【００４０】
また、この第２実施例で用いる上記点火領域算出マップは、低温プラズマによる混合気の点火性能に応じて変更されるものであり、例えば、図６、図７に示すような点火領域算出マップを用いることも可能である。
【００４１】
上述した各点火領域算出マップは、エンジン負荷とエンジン回転速度に応じて低温プラズマによる点火領域と熱プラズマによる点火領域とが割り付けられているが、図８に示すように、点火時の筒内ガス密度とエンジン回転速度に応じて低温プラズマによる点火領域と熱プラズマ及び低温プラズマの双方による点火領域とが割り付けられた点火領域算出マップを用いることも可能である。図８に示すような点火領域算出マップを用いれば、低温プラズマによる点火領域であるのか熱プラズマ及び低温プラズマの双方による点火領域であるのかをより正確に推定することが可能となる。
【００４２】
図８に示す点火領域算出マップは、エンジン回転速度が低回転速度で筒内ガス密度が低、中、高密度とき、エンジン回転速度が中回転速度で筒内ガス密度が中、高密度とき、エンジン回転速度が高回転速度で筒内ガス密度が高密度のときに低温プラズマによる点火領域となるよう設定され、筒内ガス密度が極低密度のとき、エンジン回転速度が中回転速度で筒内ガス密度が低密度のとき、エンジン回転速度が高回転速度で筒内ガス密度が低、中密度のとき、エンジン回転速度が極高回転速度ときに熱プラズマ及び低温プラズマの送付による点火領域となるよう設定されている。
【符号の説明】
【００４３】
１…内燃機関
２…燃焼室
３…シリンダヘッド
４…シリンダブロック
５…シリンダ
６…ピストン
７…第１点火プラグ
８…第２点火プラグ
１４…ＥＣＵ
【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】
2013238130.tif 000007
【図６】
2013238130.tif 000008
【図７】
2013238130.tif 000009
【図８】
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