(57)【要約】【課題】混合気の着火性（点火性）を向上させることができる点火装置を提供する。【解決手段】点火装置２０は、対向電極（２８，３０）を有し、対向電極（２８，３０）間に電圧を印加することで、燃焼室１４内に導入された混合気を点火させる点火プラグ２４と、対向電極（２８，３０）に、燃焼室１４内に導入された前記混合気よりも点火電圧の低い気体を供給するインジェクタ２６と、を備えるものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向電極を有し、前記対向電極間に電圧を印加することで、燃焼室内に導入された混合気を点火させる点火プラグと、
前記対向電極に、前記燃焼室内に導入された前記混合気よりも点火電圧の低い気体を供給する気体供給手段と、を備えることを特徴とする点火装置。
【請求項２】
液体を気化させて、前記点火電圧の低い気体を生成する気体生成装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
【請求項３】
前記点火電圧の低い気体は、前記燃焼室内に導入された前記混合気よりも比熱の小さい成分を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の点火装置。
【請求項４】
前記点火電圧の低い気体は、酸素及び炭化水素燃料を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合気を点火させるための点火装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば車両用エンジン等の内燃機関は、点火プラグにより、燃焼室内に供給される混合気（炭化水素燃料及び空気の混合気）を点火、燃焼するように構成されている。また、特許文献１等には、燃焼室内にインジェクタを設置し、インジェクタから燃料室内に直接炭化水素燃料を噴射する筒内直接噴射式火花点火エンジンが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、燃焼室内の混合気の着火性を向上させる目的で、燃焼室内にラジカルを供給するエンジンの着火制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−７４５６９号公報
【特許文献２】特開２０１３−１４８０９８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、内燃機関の運転において、理論空燃比よりも高い空燃比を有する混合気を点火・燃焼したり、又はＥＧＲガスを多く含む混合気を点火・燃焼したりするような運転、所謂リーンバーン運転（混合気中の燃料濃度が低い条件で行われる運転）では、混合気の安定した点火が困難となるという問題がある。なお、リーンバーン運転における混合気の安定した点火を実現させるためには、点火プラグへの投入エネルギ（印加電圧）を上昇させる手段が考えられるが、点火プラグの電極の損傷が生じやすいため、点火プラグへの投入エネルギには限界がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、混合気の着火性（点火性）を向上させることができる点火装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の点火装置は、対向電極を有し、前記対向電極間に電圧を印加することで、燃焼室内に導入された混合気を点火させる点火プラグと、前記対向電極に、前記燃焼室内に導入された前記混合気よりも点火電圧の低い気体を供給する気体供給手段と、を備える。
【０００８】
また、前記点火装置において、液体を気化させて、前記点火電圧の低い気体を生成する気体生成装置を備えることが好ましい。
【０００９】
また、前記点火装置において、前記点火電圧の低い気体は、前記燃焼室内に導入された前記混合気よりも比熱の小さい成分を含むことが好ましい。
【００１０】
また、前記点火装置において、前記点火電圧の低い気体は、酸素及び炭化水素燃料を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、混合気の着火性（点火性）を向上させることができる点火装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る点火装置を備える内燃機関の構成の一例を示す模式断面図である。
【図２】本実施形態に係る点火装置の構成の一例を示す模式拡大図である。
【図３】分子のイオン化エネルギと電離度（イオン化している分子の割合）の関係を示す図である。
【図４】イソオクタンの濃度が異なる気体の点火電圧を示す。
【図５】本実施形態の点火装置の構成の変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る点火装置を備える内燃機関の構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダ１２と、ピストン１３と、シリンダ１２及びピストン１３により形成される燃焼室１４と、シリンダ上部に設けられた吸気ポート１５を開閉する吸気弁１６と、シリンダ上部に設けられた排気ポート１７を開閉する排気弁１８と、後述する点火装置２０と、ＥＣＵ２２と、を備えている。
【００１５】
本実施形態の内燃機関１０では、吸気行程において、吸気弁１６が開きピストン１３が下降することで、吸気ポート１５から燃焼室１４内に、混合気（炭化水素燃料と空気の混合気）が導入される。そして、圧縮行程において、吸気弁１６が閉じてピストン１３の上昇により混合気が圧縮され、点火装置２０により混合気が点火される。これにより、混合気が燃焼して、ピストン１３が押し下げられ、図示しないクランク軸に回転力が発生する。燃焼後の排ガスは、排気行程において排気弁１８が開きピストン１３が上昇することで、排気ポート１７へ排出される。以下に、本実施形態に係る点火装置２０の構成及び動作について説明する。
【００１６】
図２は、本実施形態に係る点火装置の構成の一例を示す模式拡大図である。図１及び２に示すように、点火装置２０は、点火プラグ２４と、気体供給手段の一例としてのインジェクタ２６とを備えている。図１に示すように、点火プラグ２４及びインジェクタ２６は、ＥＣＵ２２と電気的に接続されている。
【００１７】
ＥＣＵ２２は、Ａ／Ｄ変換部、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。ＥＣＵ２２は、内燃機関１０の運転条件等に基づいて、ＲＯＭに記憶された各種プログラムをＣＰＵが実行することにより、点火プラグ２４の電圧印加時期、インジェクタ２６の気体噴射時期等が制御される。
【００１８】
点火プラグ２４は、点火部分が燃焼室１４内に突出するように配置されている。点火プラグ２４の点火部分は、対向電極としての中心電極２８及び接地電極３０を備えている。中心電極２８及び接地電極３０は、所定の電極間距離を空けて、互いに対向している。中心電極２８と接地電極３０との間に所定の電圧が印加されることにより、電極間に火花放電が発生する。
【００１９】
インジェクタ２６は、先端部（気体噴射部）が燃焼室１４内に突出するように配置されており、インジェクタ２６から点火プラグ２４の対向電極に向けて気体が噴射されるように構成されている。具体的には、気体が充填されたガスタンク（不図示）と、ガスタンクとインジェクタ２６とを接続する配管（不図示）を設置し、ガスタンク中の気体が配管を通してインジェクタ２６に供給されることで、インジェクタ２６から気体が噴射されて、点火プラグ２４の対向電極に供給される。
【００２０】
インジェクタ２６から噴射される気体は、燃焼室１４内に導入された上記混合気よりも点火電圧の低い気体である。ここで、点火電圧とは、点火プラグ２４の電極間に印加される電圧において、点火プラグ２４の火花放電により気体が点火されるのに必要となる電圧のことである。そして、気体の点火電圧は、以下で説明するように、電界による気体のイオン化のし易さに影響され、気体がイオン化し易いほど、点火電圧は低くなる。すなわち、インジェクタ２６から噴射される気体は、燃焼室１４内に導入された混合気よりイオン化し易い気体である。以下、燃焼室１４内に導入された混合気よりも点火電圧の低い気体を点火低電圧気体と称する。
【００２１】
点火装置２０では、対向電極間に電圧を印加することにより生じた電界により、対向電極間の気体中の分子がイオン化する。この際に生じた自由電子やプラスイオンが対向電極間に生じた電界により加速され、大きな運動エネルギを得る。そして、高エネルギ状態になった自由電子やプラスイオンが、その周囲の分子と衝突することによって、分子の運動エネルギが上昇し、電極間及びその周囲の気体の温度が上昇することで点火に至る。
【００２２】
しかし、理論空燃比よりも高い空燃比を有する混合気を点火・燃焼したり、又はＥＧＲガスを多く含む混合気を点火・燃焼したりするような、混合気中の燃料濃度が低い条件で行われるリーンバーン運転では、混合気中にイオン化エネルギの高い窒素の割合が高くなっている。したがって、燃焼室１４内に混合気を単に導入しただけでは、点火プラグ２４の対向電極間により生じた電界によりイオン化する分子の割合が少なくなり、気体の温度上昇を担う自由電子やプラスイオンも少なくなり、混合気の点火が困難となる（混合気の着火性が低下する）。
【００２３】
本実施形態では、インジェクタ２６から点火プラグ２４の対向電極間に、イオン化し易い気体である点火低電圧気体が供給されるため、燃焼室１４内に混合気を単に供給した場合に比べて、温度上昇を担う自由電子やプラスイオンの数が多くなり、気体の温度上昇が容易となる。これにより、火種となる高温部（火炎核）が形成され、高温部周囲の混合気を点火・燃焼させることができる。その結果、燃焼室１４内に混合気を単に供給した場合に比べて、低い印加電圧で、混合気を着火させることが可能となる。すなわち、燃焼室１４内に導入された混合気の着火性を向上させることが可能となる。
【００２４】
点火低電圧気体は、燃焼室１４内に導入される混合気より点火電圧を小さくするために、窒素よりイオン化エネルギの小さい成分（分子）で構成されることが望ましい。窒素のイオン化エネルギ（１５．６ｅＶ）より小さい成分（分子）としては、イソオクタン、メタン、プロパン、メタノール、エタノール、トルエン、フェノール、ジメチルエーテル等の炭化水素燃料、リチウム分子、カリウム分子、セシウム分子等のアルカリ金属分子、酸素等が挙げられる。これらの中では、エタノール（１０．５ｅＶ）、ジメチルエーテル（１０．０ｅＶ）等の含酸素燃料、イオン化エネルギが１０ｅＶ以下であるトルエン（８．８ｅＶ）、フェノール（８．５ｅＶ）等の炭化水素燃料、リチウム分子（４．９ｅＶ）、カリウム分子（３．６ｅＶ）、セシウム分子（３．５ｅＶ）等のアルカリ金属分子等が好ましい。
【００２５】
図３は、分子のイオン化エネルギと電離度（イオン化している分子の割合）の関係を示す図であり、サハの電離公式を使用して求めたものである。図３に示すように、イオン化エネルギが数ｅＶ低くなるだけで、電離度のオーダーが変わることがわかる。したがって、点火低電圧気体を構成する分子のイオン化エネルギが小さいほど、温度上昇を担う自由電子やプラスイオンの数が多くなり、気体の温度上昇に寄与すると言える。
【００２６】
図４は、イソオクタンの濃度が異なる気体の点火電圧を示す。図４に示す気体の点火電圧は、点火プラグ２４にエンジン回転数１０００ｒｐｍ、初期電流３０ｍＡの条件で以下の気体を供給し、気体が点火した時の点火プラグ２４の印加電圧である。点火プラグ２４に供給した気体は、イソオクタン３．２質量％及び空気９６．８質量％の気体、イソオクタン４．８質量％及び空気９５．２質量％の気体、イソオクタン５．９質量％及び空気９４．１質量％の気体である。図４に示すように、イソオクタン濃度の高い気体ほど低い点火電圧となり、点火プラグ２４に対して小さい投入エネルギで点火可能であることが分かる。
【００２７】
点火低電圧気体の点火電圧は、燃焼室１４内に導入される混合気の点火電圧にもよるが、例えば、１０〜３０ｋＶの範囲が好ましく、１０〜１５ｋＶの範囲がより好ましい。上記範囲を満たすことで、点火プラグ２４への投入エネルギを省エネルギ化し、且つ燃焼室１４内に導入される混合気の安定した点火が可能となる。
【００２８】
点火低電圧気体中の窒素よりイオン化エネルギの小さい成分（分子）の濃度は、燃焼室１４内に導入される混合気より点火電圧が低くなる範囲で設定されればよい。当該範囲は、使用する成分によって異なる。例えば、窒素よりイオン化エネルギの小さい成分（分子）として、炭化水素燃料や酸素等を用いる場合には、燃焼室１４内に導入される混合気中の炭化水素燃料や酸素濃度より大きくする必要がある。具体的には、点火低電圧気体中の炭化水素燃料又は酸素濃度は、４．０質量％以上であることが好ましく、５．０質量％以上であることがより好ましい。また、例えば、アルカリ金属分子を用いる場合には、少量でも燃焼室１４内に導入される混合気より点火電圧を小さくすることが可能であるため、燃焼室１４内に導入される混合気中の炭化水素燃料又は酸素濃度と同等又はそれより小さくしてもよい。具体的には、点火低電圧気体中のアルカリ金属分子濃度は、０．００１質量％以上であることが好ましく、０．００２質量％以上であることがより好ましい。
【００２９】
点火低電圧気体は、窒素や窒素のイオン化エネルギより大きい成分（分子）を含んでもよいが、その成分濃度は燃焼室１４内に導入される混合気より点火電圧が高くならない範囲で設定される。
【００３０】
点火低電圧気体は、炭化水素燃料及び酸素を含むことが好ましい。これにより、点火時において燃料の酸化反応による発熱を利用して、火炎核が形成され易くなり、気体の着火性をより向上させることができる。点火低電圧気体は、炭化水素燃料及び酸素から構成されていてもよいし、炭化水素燃料及び酸素に加え、アルカリ金属分子等を含んでいてもよい。
【００３１】
点火低電圧気体は、燃焼室１４内に導入された混合気より比熱の小さい成分を含むことが好ましい。これにより、窒素よりイオン化エネルギの小さい成分がイオン化した際の気体の温度上昇がより効率的に行われ、混合気の着火性をより向上させることが可能となる。比熱の小さい成分としては、例えば、アルゴン、ネオン、ヘリウム等が挙げられる。
【００３２】
点火低電圧気体は、燃焼室１４内に導入された混合気の着火、燃焼を補助するために使用されるものであるため、対向電極間への供給量は少量でよく、例えば、燃焼室１４内に導入される混合気に対して１〜１０質量％の範囲が好ましく、１〜３質量％の範囲がより好ましい。
【００３３】
以下に、電圧印加時期、点火低電圧気体噴射時の制御例を説明する。
【００３４】
吸気ポート１５内に設置された空燃比センサ（不図示）により、吸気ポート１５を通過する混合気の空燃比が検出され、検出された空燃比データがＥＣＵ２２に入力される。ＥＣＵ２２では、入力された空燃比が所定値以上である場合、すなわち、混合気中の燃料濃度が所定値以下である場合、リーンバーン条件であると判断し、インジェクタ２６から噴射する点火低電圧気体の噴射量等を算出する。そして、前述の圧縮行程において、吸気弁１６が閉じてピストン１３の上昇により混合気が圧縮される際、具体的には、不図示のクランク軸のクランク角の検出値に基づいて、ＥＣＵ２２により、点火プラグ２４及びインジェクタ２６を稼働させ、インジェクタ２６から点火プラグ２４の対向電極間に点火低電圧気体を噴射する共に、点火プラグ２４の対向電極間に予め設定した電圧を印加する。前述したように、対向電極間に供給された点火低電圧気体は、燃焼室１４に供給された混合気より低い電圧でイオン化し、気体の温度上昇に寄与するため、燃焼室１４に混合気のみを供給した場合より、低い印加電圧で、混合気を点火・燃焼させることが可能となる。或いは、より低濃度の炭化水素燃料を有する混合気を燃焼室１４内に導入しても、当該混合気の安定した着火性を確保することができるため、内燃機関１０の燃費を向上させることが可能となる。
【００３５】
本実施形態では、混合気中の燃料濃度が低いリーンバーン条件の場合に限られず、混合気の空燃比が理論空燃比或いはそれに近い条件である通常運転の場合に適用してもよい。例えば、吸気ポート１５内に設置された流量センサ（不図示）により、吸気ポート１５を通過する混合気の流量等が検出され、ＥＣＵ２２により検出された流量データに基づいて、インジェクタ２６から噴射する点火低電圧気体の噴射量を算出する。そして、前述と同様に、不図示のクランク軸のクランク角の検出値に基づいて、ＥＣＵ２２により、点火プラグ２４及びインジェクタ２６を稼働させる。これにより、通常運転において、燃焼室１４内に混合気のみを供給した場合より、低い印加電圧で、混合気を点火・燃焼させることができる。したがって、従来より、点火プラグ２４の対向電極の損傷が抑えられ、点火装置２０の高寿命化、内燃機関１０の燃費向上を図ることが可能となる。
【００３６】
点火低電圧気体の供給方法としては、インジェクタ２６を点火プラグ２４の近傍に設置し、インジェクタ２６から点火プラグ２４の対向電極間に直接噴射する方法が望ましいが、インジェクタ２６を点火プラグ２４から離れた位置に設置し、点火低電圧気体を対向電極間に向う気流に乗せて、当該電極間に供給する方法であってもよい。
【００３７】
点火低電圧気体を対向電極間に供給する供給手段としては、特に制限されるものではなく、例えば、電極表面に設けられた孔から供給する方法等でもよい。しかし、以下の点で、対向電極間に気体を噴射することができるインジェクタ２６が好ましい。インジェクタ２６による気体の噴射によって、点火プラグ２４により発生した火花は適度な速度で引き伸ばされるため、点火プラグ２４の電極への熱損失が低減され、また、混合気の着火性がより向上すると考えられる。さらに、インジェクタ２６による気体の噴射によって、対向電極近傍の気流は、燃焼室１４内の気流に影響され難くなり、内燃機関１０のサイクル変動を抑制することも可能となると考えられる。
【００３８】
図５は、本実施形態の点火装置の構成の変形例を示す模式図である。なお、図５では、点火装置２０を構成する点火プラグ２４を省略している。図５に示す点火装置２０は、不図示の点火プラグの他に、インジェクタ２６と、気体生成装置３２と、流入ライン３４と、を備える。気体生成装置３２は、液体を貯留するタンク３２ａ、加熱装置としてのヒータ３２ｂを備えている。タンク３２ａとインジェクタ２６とは流入ライン３４により接続されており、ヒータ３２ｂは流入ライン３４の外壁に設置されている。
【００３９】
タンク３２ａには、窒素よりイオン化エネルギの低い成分を含む液体が充填されている。そして、インジェクタ２６から点火低電圧気体を供給する際には、ヒータ３２ｂを作動させて、タンク３２ａから流入ライン３４を流れる液体を加熱、気化させることで、点火低電圧気体を生成させ、インジェクタ２６から点火プラグ２４の対向電極間に噴射する。
【符号の説明】
【００４０】
１０  内燃機関、１２  シリンダ、１３  ピストン、１４  燃焼室、１５  吸気ポート、１６  吸気弁、１７  排気ポート、１８  排気弁、２０  点火装置、２２  ＥＣＵ、２４  点火プラグ、２６  インジェクタ、２８  中心電極、３０  接地電極、３２  気体生成装置、３２ａ  タンク、３２ｂ  ヒータ、３４  流入ライン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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