(57)【要約】【課題】低温時における点火プラグへのカーボンの付着と、高温時におけるプレイグニッションの発生との両方を効果的に抑制する。【解決手段】内燃機関の気筒の天井部を構成するシリンダヘッド内に、冷却水ポンプから吐出される冷却水を流通させる主流路とは別に、気筒の天井部に設置される点火プラグの近傍に形成され冷却水ポンプから吐出される冷却水を流通させるプラグ冷却用流路を設け、気筒におけるプレイグニッションの兆候を感知していないときには、プラグ冷却用流路を流れる冷却水の流量を０または主流路を流れる冷却水の流量よりも少なくし、気筒におけるプレイグニッションの兆候を感知したときには、プレイグニッションの兆候を感知していないときと比較して、プラグ冷却用流路を流れる冷却水の流量を増大させる内燃機関を構成した。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒の天井部を構成するシリンダヘッド内に、気筒の天井部に設置される点火プラグの近傍に形成され冷却水ポンプから吐出される冷却水を流通させるプラグ冷却用流路を設け、
気筒におけるプレイグニッションの兆候を感知していないときには、前記プラグ冷却用流路を流れる冷却水の流量を０または少なくし、
気筒におけるプレイグニッションの兆候を感知したときには、プレイグニッションの兆候を感知していないときと比較して、前記プラグ冷却用流路を流れる冷却水の流量を増大させる内燃機関。
【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水冷式（液冷式）の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の気筒に取り付ける点火プラグ（例えば、下記特許文献を参照）には、熱価（燃焼により受ける熱を発散する度合い）の高い冷え型のプラグと、熱価の低い焼け型の点火プラグとが存在する。
【０００３】
冷え型の点火プラグを採用すると、高温時のプレイグニッションを予防できる反面、低温時にカーボンが付着するくすぶりが発生しやすくなる。くすぶりによるカーボンが堆積すると、両電極間の絶縁抵抗が低下して、混合気への点火に適した火花放電を惹起できなくなる懸念がある。
【０００４】
逆に、熱価の低い焼け型の点火プラグを採用すると、付着したカーボンを焼き切って清浄な状態を保ちやすいが、高温時にプレイグニッションを惹起する可能性が上昇する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８８３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、低温時における点火プラグへのカーボンの付着と、高温時におけるプレイグニッションの発生との両方を効果的に抑制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】
【０００７】
上述した課題を解決するべく、本発明では、内燃機関の気筒の天井部を構成するシリンダヘッド内に、気筒の天井部に設置される点火プラグの近傍に形成され冷却水ポンプから吐出される冷却水を流通させるプラグ冷却用流路を設け、気筒におけるプレイグニッションの兆候を感知していないときには、前記プラグ冷却用流路を流れる冷却水の流量を０または少なくし、気筒におけるプレイグニッションの兆候を感知したときには、プレイグニッションの兆候を感知していないときと比較して、前記プラグ冷却用流路を流れる冷却水の流量を増大させる内燃機関を構成した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、低温時における点火プラグへのカーボンの付着と、高温時におけるプレイグニッションの発生との両方を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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】同実施形態における火花点火装置の回路図。
【図３】内燃機関の気筒における燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。
【図４】同実施形態における内燃機関の冷却水系統の構成を示す図。
【図５】同実施形態における内燃機関の冷却水系統の構成を示す図。
【図６】内燃機関の気筒における、プレイグニッションが惹起される場合のイオン電流の推移を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、火花点火式の４ストロークエンジンであり、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。
【００１１】
各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。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。点火プラグ１２は、点火コイル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。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１２】
図２に、火花点火用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。
【００１３】
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、その直後の点火の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する。
【００１４】
ＥＣＵ０は、混合気の着火燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して、各気筒１における燃焼状態の判定を行うことができる。
【００１５】
図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、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。
【００１６】
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。
【００１７】
図３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している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。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。また、燃焼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。
【００１８】
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。
【００１９】
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ことで生じる排気を各気筒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。
【００２０】
排気ガス再循環（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外部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。
【００２１】
本実施形態の内燃機関は水冷式（液冷式）であり、当該内燃機関の各部を冷却水（冷却液）の循環によって冷却する。図４及び図５に、本実施形態の内燃機関の冷却水系統を示す。冷却水を吸込んで吐出する冷却水ポンプ５１は、内燃機関のクランクシャフトから（ベルト及びプーリを要素とする巻掛伝動機構等を介して）回転トルクの伝達を受けて稼働する、既知の機械式（非電動式）のものである。冷却水ポンプ５１による冷却水の吐出量は、エンジン回転数が高くなるほど多くなる。
【００２２】
図４に示しているように、冷却水ポンプ５１が吐出した冷却水は、まずシリンダブロック５２に流入し、一部がＥＧＲクーラ２２に向かい、残りがシリンダヘッド５３に向かう。そして、シリンダヘッド５３から、空調用のヒータコア５４、フルードウォーマ５５またはラジエータ５６に分岐する。
【００２３】
フルードウォーマ５５は、内燃機関の冷却水と、トルクコンバータ及び自動変速機（無段変速機であることがある）に用いられるフルードとの間で熱交換を行う熱交換器である。シリンダヘッド５３とフルードウォーマ５５とを連絡する冷却水通路上には、当該通路を開閉するための制御バルブ５７を設置する。制御バルブ５７は、ＥＣＵ０からもたらされる制御信号ｑを受けて開閉する開閉弁、またはその開度を変化させる流量制御弁であり、例えばソレノイドバルブである。
【００２４】
ラジエータ５６は、冷却水を自然空冷または強制空冷してその温度を低下させる放熱器である。シリンダヘッド５３とラジエータ５６とを連絡する冷却水通路上には、当該通路を開閉するためのサーモスタット５８を設置する。サーモスタット５８は、冷却水の温度が所定以上の高温となったときに開弁し、それ未満の温度であるときには閉弁する。
【００２５】
ＥＧＲクーラ２２、ヒータコア５４、フルードウォーマ５５またはラジエータ５６内を流れた冷却水は、集合後シリンダブロック５２に向けて流下し、再び冷却水ポンプ５１に吸込まれる。
【００２６】
また、図５に示しているように、内燃機関の気筒１の天井部を構成するシリンダヘッド５３内には、当該シリンダヘッド５３自体やイグナイタ１３、点火コイル１４等を冷却するための冷却水を流通させる主流路５３１とは別に、点火プラグ１２を冷却するための冷却水を流通させるプラグ冷却用流路５３２を設けている。プラグ冷却用流路５３２は、シリンダヘッド５３における燃焼室の天井部、点火プラグ１２の近傍に形成してある。
【００２７】
主流路５３１及びプラグ冷却用流路５３２はともに、シリンダブロック５２側から供給される冷却水を受け入れる。プラグ冷却用流路５３２は主流路５３１から分岐しており、そのプラグ冷却用流路５３２上に当該流路５３２を開閉するための制御バルブ５９を設置する。制御バルブ５９は、ＥＣＵ０からもたらされる制御信号ｐを受けて開閉する開閉弁、またはその開度を変化させる流量制御弁であり、例えばソレノイドバルブである。
【００２８】
プラグ冷却用流路５３２及び制御バルブ５９の組は、気筒１毎に個別に設けることができる。三気筒エンジンであれば、シリンダヘッド５３内に三本のプラグ冷却用流路５３２を形成し、これら流路５３２をそれぞれ各気筒１の点火プラグ１２の近傍に配するとともに、各流路５３２上にそれぞれ制御バルブ５９を設置する。ＥＣＵ０は、それら制御バルブ５９の開閉または開度をバルブ５９毎に個別に操作することで、各プラグ冷却用流路５３２を流れる冷却水の流量を（気筒１毎に）個別に制御する。
【００２９】
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。
【００３０】
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、気筒１を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出するノックセンサから出力される振動信号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、内燃機関の温度を示唆する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。
【００３１】
出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射（開弁）信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｍ、制御バルブ５９に対して開閉制御信号ｐ、制御バルブ５７に対して開閉制御信号ｑ等を出力する。
【００３２】
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、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、要求ＥＧＲ率等といった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、ｍ、ｐ、ｑを出力インタフェースを介して印加する。
【００３３】
また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドルストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはモータジェネレータ。図示せず）に制御信号ｏを入力し、電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。
【００３４】
しかして、本実施形態の内燃機関にあっては、気筒１におけるプレイグニッションの兆候（プレイグニッションの発生を含む）を感知していないとき、プラグ冷却用流路５３２を流れる冷却水の流量を０とし、または主流路５３１を流れる冷却水の流量よりも少なくすることにより、当該気筒１に設置された点火プラグ１２及びその近辺を保温する。そのために、ＥＣＵ０は、当該気筒１の点火プラグ１２の近傍に配されているプラグ冷却用流路５３２上の制御バルブ５９を閉弁し、またはその開度を縮小する。
【００３５】
翻って、気筒１におけるプレイグニッションの兆候を感知したときには、当該気筒１に設置された点火プラグ１２の近傍に配されているプラグ冷却用流路５３２上の制御バルブ５９を開弁し、またはその開度を拡大する。このような操作の結果、当該プラグ冷却用流路５３２を流れる冷却水の流量が、プレイグニッションの兆候を感知していないときよりも増大し、点火プラグ１２及びその近辺の冷却が促されて、プレイグニッションの発生が抑止される。プレイグニッションの兆候を感知したときのプラグ冷却用流路５３２の冷却水の流量は、主流路５３１を流れる冷却水の流量と同等まで引き上げることが好ましい。
【００３６】
本実施形態のＥＣＵ０は、イオン電流検出用の回路を介して検出されるイオン電流信号ｈを基に、各気筒１におけるプレイグニッションの兆候またはその発生の有無を判定する。図６に、気筒１での圧縮行程ないし膨張行程においてプレイグニッションが惹起される場合の、イオン電流の推移を例示する。プレイグニッションが惹起されるとき、当該気筒１の燃焼室内では燃焼速度の速い、激しい燃焼が生じている。それ故、図３に示した正常燃焼の場合と比較して、イオン電流が早期にピークを迎え、その後速やかに減衰する。
【００３７】
これに対し、プレイグニッションや強度のノッキング等を伴わない正常燃焼の場合には、図３に示している通り、燃焼速度が比較的遅く、イオン電流がピークを迎える時期が遅い。また、ピーク後のイオン電流信号は緩やかに減衰する。
【００３８】
上記に着目し、ＥＣＵ０は、基準タイミング以降のイオン電流信号ｈの積分量Ｂを求め、これに基づいたプレイグニッションの兆候判定を行う。正常燃焼の場合、イオン電流信号ｈの波形は燃焼期間のうちの長い時間に亘って全体に拡がる。プレイグニッションまたはこれに近い異常燃焼の場合には、イオン電流信号ｈの波形が燃焼期間の前半、点火直前または直後の時期に偏って出力される。基準タイミング以降のイオン電流信号ｈの積分量Ｂは、正常燃焼の場合には大きくなり、異常燃焼の場合には小さくなる。
【００３９】
ＥＣＵ０は、点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を、イオン電流検出用の回路を介してサンプリングする。そして、これを基準タイミングＴで二分し、基準タイミングＴ以降のイオン電流信号ｈの積分量Ｂと、基準タイミング以前のイオン電流信号ｈの積分量Ａとの比Ｋ（＝Ｂ／Ａ）を算出する。積分量Ａ、Ｂはそれぞれ、該当の期間についてイオン電流信号ｈを時間積分、換言すればサンプリング値の時系列を積算したものである。
【００４０】
基準タイミングＴ（クランク角度（ＣＡ）または時間）は、正常燃焼時にイオン電流信号ｈのピークが訪れるタイミングよりも前のタイミングに設定する。例えば、圧縮上死点後１０°ＣＡないし２０°ＣＡのタイミングに設定する。基準タイミングＴは、エンジン回転数や要求負荷等に応じて変動し得るので、これに応じて設定することが好ましい。
【００４１】
気筒１の燃焼室内にてプレイグニッションが惹起されるような状況では、混合気の燃焼の速度が比較的速い。よって、積分量Ａが大きく、積分量Ｂが小さくなり、比Ｋが小さくなる。他方、忌避すべきプレイグニッション等が惹起されない正常燃焼では、混合気の燃焼の速度が比較的遅い。よって、積分量Ａがより小さく、積分量Ｂがより大きくなり、比Ｋが大きくなる。
【００４２】
ＥＣＵ０は、算出した比Ｋに基づいて、異常燃焼の有無を判定する。即ち、比Ｋを判定値と比較し、比Ｋが判定値を下回った場合に、当該気筒１においてプレイグニッションの兆候が存在すると判定する。逆に、比Ｋが判定値以上であるならば、当該気筒１においてプレイグニッションの兆候は存在しないと判定する。
【００４３】
本実施形態では、内燃機関の気筒１の天井部を構成するシリンダヘッド５３内に、冷却水ポンプ５１から吐出される冷却水を流通させる主流路５３１とは別に、気筒１の天井部に設置される点火プラグ１２の近傍に形成され冷却水ポンプ５１から吐出される冷却水を流通させるプラグ冷却用流路５３２を設け、気筒１におけるプレイグニッションの兆候を感知していないときには、前記プラグ冷却用流路５３２を流れる冷却水の流量を０または前記主流路５３１を流れる冷却水の流量よりも少なくし、気筒１におけるプレイグニッションの兆候を感知したときには、プレイグニッションの兆候を感知していないときと比較して、前記プラグ冷却用流路５３２を流れる冷却水の流量を増大させる内燃機関を構成した。
【００４４】
本実施形態によれば、気筒１におけるプレイグニッションの兆候を感知していないとき、点火プラグ１２及びその近辺の温度降下を抑制して、点火プラグにカーボンが堆積することを回避することができる。その上で、気筒１におけるプレイグニッションの兆候を感知したときには、点火プラグ１２及びその近辺の冷却能力を高め、温度降下を促進してプレイグニッションの発生を防止することが可能となる。
【００４５】
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、上記実施形態では、シリンダヘッド５３内でプラグ冷却用流路５３２が主流路５３１から分岐していたが、プラグ冷却用流路５３２をシリンダヘッド５３１内で主流路５３１に接続せず、シリンダブロック５２を介して冷却水ポンプ５１に連通させる態様をとることもできる。
【００４６】
気筒１におけるプレイグニッションの兆候を感知するための手法は、イオン電流信号ｈを参照するものには限定されない。ノックセンサから出力される振動信号ｄを参照して、プレイグニッションの兆候を感知することも当然に可能である。
【００４７】
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】
【００４８】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
５１…冷却水ポンプ
５３…シリンダヘッド
５３１…主流路
５３２…プラグ冷却用流路
５９…制御バルブ
ｄ…振動信号
ｈ…イオン電流信号
ｐ…開閉制御信号
【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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