(57)【要約】【課題】デポジットを高い精度で検出でき、デポジットに起因する異常燃焼を抑制することができる内燃機関を提供する。【解決手段】燃焼室２２内に高周波電磁波を送受信するためのアンテナ３０と、アンテナ３０から送信される高周波電磁波を供給するマイクロ波発振器３２と、燃焼室２２内にて反射された高周波電磁波を検出するマイクロ波検出器３４と、を備え、燃焼室２２を空洞共振器として機能させ、マイクロ波検出器３４で検出された高周波電磁波の共振状態に基づいて燃焼室２２内のデポジットを検出する内燃機関１００とする。【選択図】図１
2016183601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に高周波電磁波を送受信するためのアンテナと、
前記アンテナから送信される高周波電磁波を供給する発振器と、
前記燃焼室内にて反射された前記高周波電磁波を検出する検出器と、
を備え、
前記燃焼室を空洞共振器として機能させ、前記検出器で検出された高周波電磁波の共振状態に基づいて前記燃焼室内のデポジットを検出することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関であって、
前記発振器から供給される高周波電磁波の周波数を時間的に変化させ、前記検出器において検出された高周波電磁波の共振周波数の時間的な変化から前記燃焼室内のデポジットを検出することを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１に記載の内燃機関であって、
燃焼室内に設けられたピストンの下死点と上死点との間の規定のクランク角において共振する供給周波数に固定された高周波電磁波を前記発振器から供給し、共振が生じるクランク角の時間的な変化から前記燃焼室内のデポジットを検出することを特徴とする内燃機関。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関において、
検出された前記デポジットの量に応じて前記燃焼室内に噴射される燃料の噴射量、噴射タイミング及び噴射回数の少なくとも１つを制御することを特徴とする内燃機関。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関において、
前記アンテナは、前記燃焼室内に高周波電磁波を送信する送信用アンテナと、前記燃焼室において反射する高周波電磁波を受信する受信用アンテナと、をそれぞれ独立に有することを特徴する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃費向上のために気筒の圧縮比をより高めたり、排気ターボ過給機等により気筒に充填する吸気の圧力を高めたりする技術が開発されている。このような技術において、潤滑油、炭素粒子、残留ガス等のデポジット（異物）が燃焼室内に存在していると、圧縮行程の終期、圧縮上死点近傍でこれらのデポジットが起点となって異常燃焼が発生すると、点火時期の制御ができなくなるため、筒内圧が著しく上昇して、エンジンが破損に至ることがある。
【０００３】
このような異常燃焼を予知することを目的として、点火時期よりも前に気筒に対して電磁波を放射する電磁波放射部を設け、燃焼室内に放射された電磁波の反射波の強度を検出し、その強度に基づいて気筒において異常燃焼が生ずるおそれがあるか否かを判断する内燃機関の制御装置が開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１３６９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、金属材料で覆われたエンジンの気筒に電磁波を導入した場合、気筒内にデポジットが存在しないときでも一定量の電磁波の反射が避けられないため、電磁波の反射電力を検出する方法ではデポジットの検出精度が低いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の1つの態様は、燃焼室内に高周波電磁波を送受信するためのアンテナと、前記アンテナから送信される高周波電磁波を供給する発振器と、前記燃焼室内にて反射された前記高周波電磁波を検出する検出器と、を備え、前記燃焼室を空洞共振器として機能させ、前記検出器で検出された高周波電磁波の共振状態に基づいて前記燃焼室内のデポジットを検出することを特徴とする内燃機関である。
【０００７】
ここで、前記発振器から供給される高周波電磁波の周波数を時間的に変化させ、前記検出器において検出された高周波電磁波の共振周波数の時間的な変化から前記燃焼室内のデポジットを検出することが好適である。
【０００８】
また、燃焼室内に設けられたピストンの下死点と上死点との間の規定のクランク角において共振する供給周波数に固定された高周波電磁波を前記発振器から供給し、共振が生じるクランク角の時間的な変化から前記燃焼室内のデポジットを検出することが好適である。
【０００９】
また、検出された前記デポジットの量に応じて前記燃焼室内に噴射される燃料の噴射量、噴射タイミング及び噴射回数の少なくとも１つを制御することが好適である。
【００１０】
また、前記アンテナは、前記燃焼室内に高周波電磁波を送信する送信用アンテナと、前記燃焼室において反射する高周波電磁波を受信する受信用アンテナと、をそれぞれ独立に有することが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、エンジンの気筒内のデポジットを高い精度で検出でき、デポジットに起因する異常燃焼を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態における内燃機関の構成を示す図である。
【図２】燃焼室内のデポジットとマイクロ波の反射率との関係を示す図である。
【図３】燃焼室内にデポジットを配置した場合と配置しなかった場合のマイクロ波の共振特性を示す図である。
【図４】燃焼室内に存在するデポジットの直径と共振周波数の関係を示す図である。
【図５】本発明の変形例１における内燃機関の構成を示す図である。
【図６】デポジットの重量に対する共振周波数の変化を示す図である。
【図７】ピストンの位置（クランク角）と共振周波数の関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における内燃機関の駆動制御方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態における内燃機関の駆動制御方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態における内燃機関１００は、図１に示すように、シリンダ１０及びピストン１２を含んで構成される。内燃機関１００は、自動車等に搭載される。
【００１４】
内燃機関１００は、吸気通路１４を備え、吸気通路１４には吸気弁１６が設けられる。また、内燃機関１００は、排気通路１８を備え、排気通路１８には排気弁２０が設けられる。シリンダ１０とピストン１２とによって形成される空間が燃焼室２２となる。燃焼室２２の天井部には点火プラグ２４が設けられる。燃焼室２２には、吸気通路１４を介して空気と燃料とを混合した燃料ガスが供給され、点火プラグ２４にて火花放電を生じさせることによって燃料ガスが燃焼させられる。燃料ガスの燃焼により燃焼室２２内の圧力が上昇し、ピストン１２に駆動力が与えられてシリンダ１０内におけるピストン１２の往復運動に変換される。燃料ガスの燃焼によって生じた排気ガスは排気通路１８を介して排気される。
【００１５】
本実施の形態における内燃機関１００では、シリンダ１０には燃焼室２２内に高周波電磁波を放射するアンテナ３０が設けられる。アンテナ３０は、モノポール形状とされ、燃焼室２２の中央近傍に設置される。アンテナ３０は、マイクロ波発振器３２に接続される。マイクロ波発振器３２は、マイクロ波を発生させるマグネトロン又は固体発信素子と増幅器及びこれを制御する制御回路を含んで構成され、アンテナ３０を介してマイクロ波発振器３２によって発生させたマイクロ波を燃焼室２２内に放射する。マイクロ波発振器３２は、マイクロ波の電力及びその発振時期を制御する。
【００１６】
マイクロ波発振器３２から出力される高周波電磁波の周波数は、シリンダ１０及びピストン１２によって形成される燃焼室２２内の電磁波が共振状態となる程度の周波数とすることが好適である。例えば、マイクロ波発振器３２は、数１００ｋＨｚ以上数１０ＧＨｚ以下の周波数帯域の高周波電磁波をアンテナ３０から放射することが好適である。
【００１７】
燃焼室２２を空洞共振器として機能させ、燃焼室２２内でマイクロ波が反射されて再びアンテナ３０によって受信される。アンテナ３０において受信された反射波がマイクロ波検出器３４によって検出される。マイクロ波検出器３４によって検出された反射信号はエンジンコントローラ３６に入力される。エンジンコントローラ３６は、入力された反射信号に基づいて内燃機関１００を制御する。
【００１８】
図２は、燃焼室２２内のデポジットとマイクロ波の反射率との関係を示す。この関係は、円筒形状（直径９１ｍｍ×長さ１０ｍｍ）の定容容器内に既知物性の黒鉛（比重２、導電率１×１０５Ｓ／ｍ、比誘電率１２）を挿入して、シリンダ１０の燃焼室２２内にデポジットが発生した状態を模擬的に作り出して測定した。図２に示す結果から、デポジットの直径を変えても、燃焼室２２内に放射したマイクロ波の反射率に顕著な変化は認められなかった。すなわち、マイクロ波の反射率の変化に基づいて高い精度でデポジットを検出することは困難であることを示している。
【００１９】
図３は、模擬的な燃焼室２２内にデポジットを配置した場合と配置しなかった場合のマイクロ波の共振特性を示す。図３において、横軸がマイクロ波周波数、縦軸がマイクロ波反射率である。ライン（ａ）に示すように、デポジットがない場合の共振周波数、すなわち反射率が最も低くなる周波数は２．４９ＧＨｚである。これに対して、ライン（ｂ）に示すように、デポジットがある場合には、共振周波数はより低い周波数側へ遷移する。例えば、直径２０ｍｍ、厚さ１ｍｍのデポジットが存在する場合には共振周波数は２．４５４ＧＨｚとなる。このような共振周波数の変化は、デポジットが存在する場合と存在しない場合の燃焼室２２内の電界分布が変化し、高電界の領域が広がることに起因している。
【００２０】
図４は、燃焼室２２内に存在するデポジットの直径と共振周波数の関係を示す。ここで、直径０ｍｍは燃焼室２２にデポジットがない状態を示す。デポジットの直径の増加に伴って共振周波数は低くなる。また、同一直径では、デポジットの厚さが増すと共振周波数がより低くなる。すなわち、燃焼室２２内に存在するデポジットの体積の増加に伴って共振周波数の変化の幅が増す。これらの結果は、燃焼室２２に放射するマイクロ波の周波数を変化させて反射波が共振状態を示す共振周波数を測定することにより、燃焼室２２内に存在するデポジット量を検出することができることを示している。
【００２１】
エンジンコントローラ３６は、燃焼室２２に放射されたマイクロ波の反射波の共振状態に基づいて内燃機関１００を制御する。エンジンコントローラ３６は、予めメモリに格納されているプログラムを実行し、内燃機関の制御パラメータを求めて内燃機関１００を駆動制御する。エンジンコントローラ３６による内燃機関１００の駆動制御については後述する。
【００２２】
＜変形例１＞
上記実施の形態では、内燃機関１００の燃焼室２２に１つアンテナ３０を設けた構成としたが、図５に示すように、マイクロ波を送信する送信アンテナ３０ａと受信する受信アンテナ３０ｂとを設けた内燃機関１０２の構成としてもよい。
【００２３】
図６は、上記実施の形態と同様に、燃焼室２２内に模擬的にデポジットを配置した場合のデポジットの重量に対する共振周波数の変化を示す。横軸が燃焼室２２内のデポジットの重量、縦軸が共振周波数を示す。
【００２４】
ライン（ａ）及びライン（ｂ）に示すように、送信及び受信で共通のアンテナ３０を１つ設けた場合及び送信アンテナ３０ａと受信アンテナ３０ｂを別々に設けた場合のいずれにおいてもデポジットの重量が増加するにつれて共振周波数は低下する。そして、送信アンテナ３０ａと受信アンテナ３０ｂを別々に設けた場合、送信及び受信で共通のアンテナ３０を１つ設けた場合に比べて共振周波数の変化が大きい。すなわち、送信アンテナ３０ａと受信アンテナ３０ｂを独立させて設置させた方がデポジットの検出感度が向上し、より少ないデポジットをより高い感度で検出することができる。
【００２５】
なお、送信アンテナ３０ａ及び受信アンテナ３０ｂは、磁界結合させるために先端の導電部を曲げてループ形状とすることが好適である。また、送信アンテナ３０ａ及び受信アンテナ３０ｂは、図５に示すように、燃焼室２２内の周囲部に配置することが好適である。特に、燃焼室２２の周囲部において互いに対角位置に配置することが好適である。
【００２６】
＜変形例２＞
図７は、燃焼室２２内にデポジットが存在しない状態又はデポジットが存在する状態でのピストン１２のクランク角と共振周波数の関係を示す。図７の実線で示すように、ピストン１２が下死点近傍にあるときにはクランク角に対する共振周波数の変化は小さいが、上死点に近づくにつれてその変化は大きくなる。図７の例では、クランク角が４５°のときの共振周波数は２．６７ＧＨｚとなる。
【００２７】
このような共振特性をもった内燃機関１００において、特定のクランク角における共振周波数を有するマイクロ波を燃焼室２２内に放射しておき、その反射波（反射電力）をマイクロ波検出器３４にて検出する。燃焼室２２内にデポジットが発生すると、反射波の反射率が低下して共振状態となるクランク角が変化する。上記のように、容積が一定の燃焼室２２においてデポジットが堆積すると共振周波数は低下する。そのため、燃焼室２２にデポジットが存在するときには、図７の破線で示すように、共振周波数の曲線は低周波数側に遷移する。これに伴って、マイクロ波が共振して反射率が低下するクランク角は初期のクランク角よりも上死点側に遷移する。
【００２８】
このように、燃焼室２２のデポジットの量に応じて共振が生ずるクランク角は上死点側に遷移するので、予め定めた周波数の電磁波を内燃機関１００の燃焼室２２に導入すると共に、その反射電力（反射率）が最小となるクランク角を測定することで燃焼室２２内のデポジット量を把握することができる。
【００２９】
＜内燃機関の駆動制御＞
以下、本実施の形態において検出された燃焼室２２内のデポジットの量に応じた内燃機関１００の駆動制御について説明する。駆動制御は、エンジンコントローラ３６によって、図８のフローチャートに沿って実行される。
【００３０】
ステップＳ１０では、燃焼室２２にマイクロ波を導入し、その反射波の共振状態を検出する。具体的には、マイクロ波発振器３２から発せられるマイクロ波の周波数を走査しながら燃焼室２２にマイクロ波を導入し、反射波をマイクロ波検出器３４にて測定し、反射波の電力が最小となる共振周波数を検出する。エンジンコントローラ３６は、マイクロ波検出器３４から共振周波数を受けて、その値から燃焼室２２内のデポジットの量を求める。
【００３１】
または、変形例２のように、デポジットがない状態で所定のクランク角で共振するマイクロ波を燃焼室２２に導入し、ピストン１２のクランク角の変化と共にその反射波の電力をマイクロ波検出器３４で測定する。なお、ピストン１２のクランク角はレゾルバ等で検出して、エンジンコントローラ３６に入力することができる。そして、エンジンコントローラ３６では、マイクロ波検出器３４で測定された反射波の電力が最小となる共振状態となるクランク角を求め、当該クランク角の値から燃焼室２２内のデポジットの量を求める。
【００３２】
ステップＳ１２では、燃焼室２２のデポジットの量に応じて内燃機関１００の駆動条件を設定して、当該駆動条件によって内燃機関１００を駆動制御する。
【００３３】
燃焼室２２内に、ピストンリングによりかき上げられて飛散した潤滑油や炭素粒子、残留ガス等のデポジットが存在していると、このデポジットが燃焼起点となって異常燃焼状態が生ずるおそれがある。
【００３４】
そこで、本実施の形態では、燃焼室２２内のデポジットの量に応じて、異常燃焼を抑制するように内燃機関１００を駆動制御する。例えば、デポジットの量が、異常燃焼の発生する所定の閾値を超えた場合、燃料の噴射量、噴射回数、噴射タイミングの制御を行う。このような制御により、シリンダ内の燃料を過濃状態（リッチ）にすることで、異常燃焼を回避することができる。
【００３５】
これらの制御は同時に行ってもよいし、それぞれ独立に行ってもよい。このような制御を行うことで、デポジットに起因する混合気の自着火を抑制することができる。
【００３６】
例えば、図９のフローチャートに示すように、デポジットの量が所定の閾値を超えたことを検出し（ステップＳ２０）、検出した同一燃焼サイクル内で制御を行う場合、主燃料噴射前の検出であれば（ステップＳ２２において「はい」）、噴射量を増加させて主燃料噴射を行い（ステップＳ２４）、噴射終了後の検出であれば（ステップＳ２２において「いいえ」）、追加の燃料噴射（ステップＳ２６）を行う。このような制御を行うことで、シリンダ内の燃料を過濃状態（リッチ）にできる。
【００３７】
また、ステップＳ１０において検出されたデポジットの量がある閾値を超えない場合には内燃機関１００の駆動条件を通常の駆動条件に戻すようにしてもよい。
【００３８】
ステップＳ１２での処理が終了すると、ステップＳ１０に処理を戻し、次のサイクルの処理に移行する。
【００３９】
以上のように、本発明の実施の形態によれば、燃焼室内に放射した高周波電磁波の反射波の共振状態に基づいてデポジットを高い精度で検出でき、デポジットに起因する異常燃焼を抑制することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  シリンダ、１２  ピストン、１４  吸気通路、１６  吸気弁、１８  排気通路、２０  排気弁、２２  燃焼室、２４  点火プラグ、３０  アンテナ、３０ａ  送信アンテナ、３０ｂ  受信アンテナ、３２  マイクロ波発振器、３４  マイクロ波検出器、３６  エンジンコントローラ、１００  内燃機関。
【図１】
2016183601.tif 000003
【図２】
2016183601.tif 000004
【図３】
2016183601.tif 000005
【図４】
2016183601.tif 000006
【図５】
2016183601.tif 000007
【図６】
2016183601.tif 000008
【図７】
2016183601.tif 000009
【図８】
2016183601.tif 000010
【図９】
2016183601.tif 000011