JP2015187390A - internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like.
一般的な火花点火式内燃機関に実装されている点火装置では、イグナイタが消弧した際に点火コイルに発生する高電圧を点火プラグの中心電極に印加することで、点火プラグの中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起し、点火する。 In an ignition device mounted on a general spark ignition type internal combustion engine, a high voltage generated in the ignition coil when the igniter extinguishes is applied to the center electrode of the ignition plug, so that the center electrode of the ignition plug is grounded. A spark discharge is caused between the electrodes and ignited.
近時では、気筒の燃焼室内にある混合気に確実に着火させ、安定した火炎を得ることができるようにするために、高周波発振器が出力する高周波またはマグネトロンが出力するマイクロ波を燃焼室内に放射する「アクティブ点火(アクティブ着火)」法が試みられている(例えば、下記特許文献を参照)。アクティブ点火法によれば、中心電極と接地電極との間の空間に高周波電界またはマイクロ波電界が形成され、この電界中で発生したプラズマが成長して、火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きな火炎核を生成することができる。 Recently, in order to ensure that the air-fuel mixture in the combustion chamber of the cylinder is ignited and a stable flame can be obtained, the high frequency output from the high frequency oscillator or the microwave output from the magnetron is radiated into the combustion chamber. An “active ignition” method has been attempted (see, for example, the following patent document). According to the active ignition method, a high-frequency electric field or a microwave electric field is formed in the space between the center electrode and the ground electrode, and the plasma generated in this electric field grows to form a large flame nucleus that starts flame propagation combustion. Can be generated.
アクティブ点火法は、混合気への着火の確実性を高める有望な技術である。だが、燃焼室内への電界放射に起因した電力の消費というデメリットもある。 気筒に充填される吸気の量や、その吸気に占めるEGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスの割合であるEGR率、並びに混合気の空燃比は、常時一定ではない。加えて、気筒毎のくせ即ち気筒間のばらつきも存在する。具体的に述べると、内燃機関が備える複数の気筒には、EGRガスが流入しやすく新気が流入しにくい気筒と、EGRガスが流入しにくく新気が流入しやすい気筒とがあり、各気筒に充填される吸気のEGR率は必ずしも均等ではない。 The active ignition method is a promising technique for increasing the certainty of ignition of the air-fuel mixture. However, there is a demerit of power consumption due to electric field radiation into the combustion chamber. The amount of intake air that fills a cylinder, the EGR rate that is the proportion of EGR (Exhaust Gas Recirculation) gas in the intake air, and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture are not always constant. In addition, there is a habit of each cylinder, that is, a variation between cylinders. Specifically, the plurality of cylinders included in the internal combustion engine include a cylinder in which EGR gas easily flows and a fresh air does not easily flow in, and a cylinder in which EGR gas does not easily flow in and a fresh air easily flows. The EGR rate of the intake air filled in is not necessarily uniform.
気筒の燃焼室に供給する電界のエネルギが燃焼室内の混合気に吸収される度合いは、混合気のEGR率や空燃比等に応じて変化する。それ故、アクティブ点火のために最適な電界の強度及び放射時間は頻々に変動し得る上、気筒毎でも異なり得る。そして、燃焼室に投入する電界のエネルギ量が不足すれば、混合気への着火がうまくゆかず、燃焼不安定ないし失火を招く懸念が生じる。 The degree to which the energy of the electric field supplied to the combustion chamber of the cylinder is absorbed by the air-fuel mixture in the combustion chamber varies depending on the EGR rate, air-fuel ratio, etc. of the air-fuel mixture. Therefore, the optimum electric field strength and radiation time for active ignition can vary frequently and can vary from cylinder to cylinder. If the energy amount of the electric field input to the combustion chamber is insufficient, the air-fuel mixture cannot be ignited well, which may cause unstable combustion or misfire.
逆に、燃焼室に投入する電界のエネルギ量が不必要に過剰であると、電力の浪費となる。そればかりか、燃焼室内の混合気に吸収されない余剰のエネルギが、電界発生装置たる高周波発振器またはマグネトロンの側に反射して返ってくる可能性があり、高周波発振器またはマグネトロンを故障させる原因ともなりかねない。 Conversely, if the energy amount of the electric field input to the combustion chamber is unnecessarily excessive, power is wasted. In addition, excess energy that is not absorbed by the air-fuel mixture in the combustion chamber may be reflected back to the high-frequency oscillator or magnetron that is the electric field generator, which may cause the high-frequency oscillator or magnetron to break down. Absent.
本発明は、アクティブ点火法による混合気への点火の際に燃焼室内に投入するエネルギ量の適正化を図ることを所期の目的としている。 An object of the present invention is to optimize the amount of energy input into the combustion chamber when the air-fuel mixture is ignited by the active ignition method.
本発明では、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電と気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し燃料に着火するアクティブ点火を実行可能な内燃機関であって、気筒の膨張行程における燃焼室内圧力に基づき、同気筒の次回以降の膨張行程の際のアクティブ点火において燃焼室内に放射する電界の強度及び/または電界の放射時間を増減調整する内燃機関を構成した。 In the present invention, the spark discharge generated between the center electrode and the ground electrode of the spark plug interacts with the electric field radiated into the combustion chamber via the antenna facing the combustion chamber of the cylinder to generate plasma in the combustion chamber. An internal combustion engine capable of performing active ignition for igniting fuel, and based on the pressure in the combustion chamber in the expansion stroke of the cylinder, the intensity of the electric field radiated into the combustion chamber in the active ignition in the subsequent expansion stroke of the cylinder And / or the internal combustion engine which adjusts increase / decrease in the radiation time of an electric field was comprised.
本発明によれば、アクティブ点火法による混合気への点火の際に燃焼室内に投入するエネルギ量の適正化を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to optimize the amount of energy input into the combustion chamber when the air-fuel mixture is ignited by the active ignition method.
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、気筒1の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の4ストロークガソリンエンジンであり、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。各気筒1には、その燃焼室に臨む位置に、燃料を噴射するインジェクタ11を設置している。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。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an outline of an internal combustion engine for a vehicle in the present embodiment. The internal combustion engine in the present embodiment is a direct injection type four-stroke gasoline engine that directly injects fuel into the combustion chamber of the cylinder 1, and a plurality of cylinders 1 (one of which is shown in FIG. 1). ). Each cylinder 1 is provided with an
図2に、点火系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131を有するイグナイタ13とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
FIG. 2 shows an electric circuit of the ignition system. The
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の半導体スイッチ131が点弧して点火コイル14の一次側に電流が流れ、その直後の火花点火のタイミングで半導体スイッチ131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を生じる。
When the
点火コイル14の一次側コイルは、半導体スイッチ131を介して車載の電源バッテリ17に接続する。半導体スイッチ131を点弧し、バッテリ17から供給される直流電圧を一次側コイルに印加して通電を開始すると、一次側コイルを含む一次側(低圧系)の回路を流れる一次電流は逓増する。
The primary coil of the
図6に、一次側コイルへの通電開始後の一次電流の推移を例示する。図6中、電流制限機能が働かない場合を破線で描画し、電流制限機能が働く場合を一点鎖線で描画している(実線については、後述する)。バッテリ17及び一次側コイルを含む一次側の電気回路をRL直列回路と仮定すると、t=0時点にて直流電圧Eを印加した場合の一次電流I(t)は、
I(t)≒{1−e-(R/L)t}E/R
となる。即ち、過渡現象として一次電流は逓増するが、その増加の速さは徐々に衰える。十分に長い時間が経過すると、図6中の破線のように一次電流はE/Rに飽和する。
FIG. 6 illustrates the transition of the primary current after the start of energization of the primary side coil. In FIG. 6, the case where the current limiting function does not work is drawn with a broken line, and the case where the current limiting function works is drawn with a one-dot chain line (the solid line will be described later). Assuming that the primary side electric circuit including the battery 17 and the primary side coil is an RL series circuit, the primary current I (t) when the DC voltage E is applied at time t = 0 is
I (t) ≈ {1-e- (R / L) t } E / R
It becomes. That is, the primary current increases as a transient phenomenon, but the rate of increase gradually decreases. When a sufficiently long time elapses, the primary current saturates to E / R as shown by the broken line in FIG.
イグナイタ13は、一次電流の過大化を抑制する電流制限機能を有している。この電流制限機能は、今日普及している既製のイグナイタのそれと同様である。具体的には、制御回路132が、検出抵抗133を介して、一次電流を当該抵抗133の両端間電圧の形で恒常的に計測する。そして、その一次電流(抵抗133の両端間電圧)の大きさが規定値以下である間は半導体スイッチ131を点弧する一方、規定値を超えたときには半導体スイッチ131を消弧する。これにより、一次電流を図6中の一点鎖線のように規定値にクリップする。
The
火花点火の際に点火プラグ12の中心電極に印加される誘導電圧は、半導体スイッチ131を消弧する時点t1で点火コイル14の一次側コイルに流れている一次電流が大きいほど高圧になる。従って、一次側コイルへの通電時間が長いほど、点火プラグ12の中心電極に印加される誘導電圧が高圧になる。並びに、一次電流が大きいことは点火コイル14に入力する電力量が大きいことを意味しており、一次側コイルへの通電時間が長いほど、点火プラグ12の中心電極と接地電極との間で火花放電が継続する時間も長くなる。
The induced voltage applied to the center electrode of the
要するに、半導体スイッチ131を点弧する時点t0、t0’を調整することで、点火プラグ12の中心電極に印加される誘導電圧の大きさや火花放電の継続時間を調整することが可能である。図6中、一次側コイルへの通電時間が比較的短い(より遅い時点t0から通電を開始する)場合を実線で描画し、一次側コイルへの通電時間が比較的長い(より早い時点t0’から通電を開始する)場合を一点鎖線で描画している。
In short, it is possible to adjust the magnitude of the induced voltage applied to the center electrode of the
因みに、イグナイタ13は、点火コイル14またはイグナイタ13自身の温度が上限値を超えるような異常発熱を感知した場合に、一次側コイルへの通電を強制的に遮断する機能をも有している。
Incidentally, the
本実施形態の内燃機関では、その点火系に気筒1の燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置6を付設している。この電界発生装置6は、燃焼室内でプラズマを生成する目的のものである。電界発生装置6の具体例としては、高周波の交流電圧を出力する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を出力する脈流電圧発生回路等を挙げることができる。 In the internal combustion engine of the present embodiment, an electric field generator 6 for generating an electric field in the combustion chamber of the cylinder 1 is attached to the ignition system. The electric field generator 6 is intended to generate plasma in the combustion chamber. Specific examples of the electric field generator 6 include an AC voltage generation circuit that outputs a high-frequency AC voltage, a pulsating voltage generation circuit that outputs a high-frequency pulsating voltage, and the like.
図3及び図4に示すように、高周波を発生させる電界発生装置6は、車載バッテリを電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路を含む。具体的には、バッテリが提供する約12Vの直流電圧を100V〜500Vに昇圧するDC−DCコンバータ61と、DC−DCコンバータ61が出力する直流を交流に変換する高周波発生回路たるHブリッジ回路62と、Hブリッジ回路62が出力する交流の高周波をさらに高い電圧に昇圧する昇圧トランス63とを構成要素とする。
As shown in FIGS. 3 and 4, the electric field generator 6 that generates a high frequency includes a circuit that uses a vehicle-mounted battery as a power source and converts low-voltage direct current into high-voltage alternating current. Specifically, a DC-
DC−DCコンバータ61は、ECU0からの指令lを受けて、Hブリッジ回路62に印加する直流の駆動電圧の大きさを変化させることができ、ひいては、昇圧トランス63の下流における高周波電圧の振幅を変化させることができる。昇圧トランス63の下流における高周波電圧は、周波数が200kHz〜3000kHz程度、振幅が3kVp−p〜10kVp−p程度であることが好ましい。
The DC-
電界発生装置6の出力端には、第一ダイオード64及び第二ダイオード65を介設する。第一ダイオード64は、カソードが昇圧トランス63の二次側巻線の信号ラインに接続し、アノードが点火コイル14との結節点であるミキサ7に接続している。第二ダイオード65は、アノードが昇圧トランス63の二次側巻線のグランドラインに接続し、カソードが接地している。これら第一ダイオード64及び第二ダイオード65は、昇圧トランス63の下流において交流の高周波を半波整流して脈流化するとともに、点火タイミングにおいて点火コイル14の二次側から流れ込む負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。
A
因みに、電界発生装置6として脈流電圧発生回路を採用する場合、当該脈流電圧発生回路は周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その波形も任意であってよい。ここに言う脈流電圧は、基準電圧(0Vであることがある)から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧や、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等を含む。 Incidentally, when a pulsating voltage generation circuit is employed as the electric field generator 6, the pulsating voltage generation circuit may be any circuit that generates a DC voltage whose voltage periodically changes, and its waveform may be arbitrary. . The pulsating voltage mentioned here includes a pulse voltage that varies from a reference voltage (which may be 0 V) to a constant voltage at a constant period, a voltage obtained by adding a DC bias to an AC voltage, and the like.
電界発生装置6が発生させる高周波電圧は、点火プラグ12の中心電極に印加する。つまり、気筒1の燃焼室内に臨む点火プラグ12の中心電極を、電界を放射するアンテナとする。これにより、燃焼室内における、点火プラグ12の中心電極と接地電極との間の空間に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中で火花放電を行うことによりプラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きなラジカルプラズマ火炎核を生成する。
The high frequency voltage generated by the electric field generator 6 is applied to the center electrode of the
上記は、火花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ラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ち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、火炎核も大きくなるのである。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。 In the above, the flow of electrons due to the spark discharge and the ions and radicals generated by the spark discharge are vibrated and meandered by the influence of the electric field, resulting in a long path length and a dramatic increase in the number of collisions with surrounding water and nitrogen molecules. This is due to the increase. Water molecules and nitrogen molecules that have been struck by ions and radicals become OH radicals and N radicals, and the surrounding gas that has been struck by ions and radicals is also ionized, that is, a plasma state. In addition, the region of ignition of the air-fuel mixture increases and the flame kernel also increases. As a result, the two-dimensional ignition by only the spark discharge is amplified to the three-dimensional ignition, and the combustion rapidly propagates into the combustion chamber and expands at a high combustion speed.
アクティブ点火を実行する場合の、点火プラグ12の中心電極に高周波を印加するタイミングは、通常、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前、または火花放電開始直後である。
In the case of performing active ignition, the timing at which a high frequency is applied to the center electrode of the
勿論、本実施形態の内燃機関は、アクティブ点火ではない従来型の火花点火、即ち点火プラグ12の中心電極からの高周波電界の放射を伴わない火花放電によって混合気に着火することもできる。安定的に着火して燃焼させることが容易な(燃焼不良に陥りにくい)状況下では、従来型の火花点火を実行することとして電力消費を抑制することが考えられる。
Of course, the internal combustion engine of the present embodiment can also ignite the air-fuel mixture by conventional spark ignition that is not active ignition, that is, spark discharge that does not involve emission of a high-frequency electric field from the center electrode of the
本実施形態において、ECU0は、混合気の燃焼の際に気筒1の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、当該イオン電流信号hを参照して燃焼状態の判定を行うことが可能である。
In the present embodiment, the
図2に示しているように、本実施形態では、点火系の電気回路に、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。
As shown in FIG. 2, in this embodiment, a circuit for detecting an ionic current is added to the electric circuit of the ignition system. This detection circuit includes a bias
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。
The
図5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する。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。そして、筒内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。 FIG. 5 illustrates respective transitions of the ionic current (indicated by a solid line in the figure) and the combustion pressure in the cylinder 1 (in-cylinder pressure; indicated by a broken line in the figure) in normal combustion. In the case of normal combustion, the ionic current decreases by a chemical reaction before the compression top dead center after the end of spark ignition, and then increases again by thermal dissociation. At almost the same time as the in-cylinder pressure reaches its peak, the ion current also becomes maximum.
ECU0は、気筒1の燃焼室内に充填された混合気に点火した後に検出されるイオン電流信号hの大きさが閾値を上回っている期間Tの長さ(クランク角度(°CA)単位または秒単位)を計数する。そして、その計数した期間Tの長さが判定値以上であれば、当該気筒1の膨張行程において混合気が正常に燃焼したと判定する。逆に、期間Tの長さが判定値を下回ったならば、当該気筒1の膨張行程における混合気の燃焼が不良、即ち燃焼不安定または失火が発生したと判定する。
The
なお、イオン電流は、点火のための放電中には検出することができない。また、図5に示しているものは、従来型の火花点火によって混合気を燃焼させた際のイオン電流信号hの波形である。点火プラグ12の中心電極から高周波電界を放射するアクティブ点火を実行する場合には、その高周波電界の放射中もイオン電流を検出することができない。
Note that the ionic current cannot be detected during discharge for ignition. Further, what is shown in FIG. 5 is a waveform of the ion current signal h when the air-fuel mixture is burned by the conventional spark ignition. When performing active ignition in which a high-frequency electric field is radiated from the center electrode of the
内燃機関の気筒1に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。
An intake passage 3 for supplying intake air to the cylinder 1 of the internal combustion engine takes in air from the outside and guides it to the intake port of each cylinder 1. On the intake passage 3, an
気筒1から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結果発生した排気を各気筒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。
The exhaust passage 4 for exhausting the exhaust from the cylinder 1 guides the exhaust generated as a result of burning the fuel in the cylinder 1 from the exhaust port of each cylinder 1 to the outside. An exhaust manifold 42 and an exhaust purification three-
外部EGR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。
The external EGR device 2 realizes a so-called high-pressure loop EGR. The
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。
The
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、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号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。
The input interface includes a vehicle speed signal a output from a vehicle speed sensor that detects the actual vehicle speed of the vehicle, a crank angle signal b output from an engine rotation sensor that detects the rotation angle and engine speed of the crankshaft, and depression of an accelerator pedal. An accelerator opening signal c output from a sensor that detects the amount or the opening of the
出力インタフェースからは、点火プラグ12のイグナイタ13に対して点火信号i、インジェクタ11に対して燃料噴射信号j、スロットルバルブ32に対して開度操作信号k、DC−DCコンバータ61に対して当該DC−DCコンバータ61が出力する駆動電圧の大きさを指令する電圧指令信号l、EGRバルブ23に対して開度操作信号m等を出力する。
From the output interface, the ignition signal i for the
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、エンジン回転数を知得するとともに気筒1に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、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、燃焼室内に高周波電界を印加するか否かやその電界の強度、要求EGR率(または、EGR量)等といった各種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、l、mを出力インタフェースを介して印加する。
The processor of the
その上で、本実施形態では、気筒1の燃焼室内に充填された混合気に対してアクティブ点火を実行するにあたり、同気筒1の前回以前のサイクル(吸気−圧縮−膨張−排気の一連を一サイクルとする)の膨張行程における筒内圧(同気筒1の燃焼室内圧力)の実績に基づいて、当該気筒1の今回のサイクルのアクティブ点火の際に燃焼室内に放射する電界の強度及び/または電界の放射時間を増減調整することとしている。 In addition, in this embodiment, when the active ignition is performed on the air-fuel mixture filled in the combustion chamber of the cylinder 1, the previous cycle (intake-compression-expansion-exhaust series of the cylinder 1 is integrated). Based on the performance of the in-cylinder pressure (combustion chamber pressure of the cylinder 1) in the expansion stroke of the cycle), the intensity and / or electric field of the electric field radiated into the combustion chamber at the time of active ignition of the current cycle of the cylinder 1 Increase and decrease adjustment of the radiation time.
気筒1に充填される吸気量やその吸気のEGR率、並びに混合気の空燃比は常時一定ではない。加えて、気筒1毎のくせ、気筒1間のばらつきも存在している。即ち、各気筒1に充填される吸気の量や吸気のEGR率、空燃比は全て気筒1で均等とはなっていない。例えば、内燃機関が備える複数の気筒1には、EGRガスが流入しやすく新気が流入しにくい気筒1と、EGRガスが流入しにくく新気が流入しやすい気筒1とがあり、各気筒1に充填される吸気のEGR率は必ずしも均等でない。また、各気筒1に設置されたインジェクタ11にも、その燃料噴射性能に個体差や経年変化があり、各気筒1における混合気の空燃比は必ずしも均等でない。
The amount of intake air charged into the cylinder 1, the EGR rate of the intake air, and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture are not always constant. In addition, the habit of each cylinder 1 and the variation between the cylinders 1 also exist. That is, the amount of intake air filled in each cylinder 1, the EGR rate of intake air, and the air-fuel ratio are not all equal in the cylinder 1. For example, the plurality of cylinders 1 included in the internal combustion engine include a cylinder 1 in which EGR gas easily flows in and fresh air does not easily flow in, and a cylinder 1 in which EGR gas does not easily flow in and fresh air easily flows. The EGR rate of the intake air filled in is not necessarily equal. The
気筒1の燃焼室に供給する電界のエネルギが燃焼室内の混合気に吸収される度合いは、混合気のEGR率や空燃比等に応じて変化する。それ故、アクティブ点火のために最適な電界の強度及び放射時間は頻々に変動し得る上、気筒毎でも異なり得る。アクティブ点火において、燃焼室に投入する電界のエネルギ量が不足すれば、混合気への着火がうまくゆかず、燃焼不安定ないし失火を招く懸念が生じる。 The degree to which the energy of the electric field supplied to the combustion chamber of the cylinder 1 is absorbed by the air-fuel mixture in the combustion chamber varies depending on the EGR rate, air-fuel ratio, etc. of the air-fuel mixture. Therefore, the optimum electric field strength and radiation time for active ignition can vary frequently and can vary from cylinder to cylinder. In active ignition, if the amount of energy of the electric field input to the combustion chamber is insufficient, the air-fuel mixture cannot be ignited well, which may cause unstable combustion or misfire.
逆に、燃焼室に投入する電界のエネルギ量が不必要に過剰であると、電力の浪費となる。そればかりか、燃焼室内の混合気に吸収されない余剰のエネルギが、電界発生装置6側に反射して返ってくる可能性があり、電界発生装置6を故障させる原因ともなりかねない。 Conversely, if the energy amount of the electric field input to the combustion chamber is unnecessarily excessive, power is wasted. In addition, surplus energy that is not absorbed by the air-fuel mixture in the combustion chamber may be reflected back to the electric field generator 6 and may cause the electric field generator 6 to malfunction.
そこで、本実施形態では、気筒1の膨張行程における筒内圧を計測または推測し、この筒内圧の高低を基にそのときの燃焼室内雰囲気の特性、即ちEGR率や空燃比等を推定する。そして、推定したEGR率等に応じて、同じ気筒1の次回以降の膨張行程の際のアクティブ点火における高周波電界の強度(点火プラグ12の中心電極に印加する高周波電圧の大きさ)や放射時間(点火プラグ12の中心電極に高周波電圧を印加する時間の長さ)を決定する。これは、今回の(混合気の着火燃焼を遂行し筒内圧を計測または推測した)膨張行程における混合気のEGR率等と、同じ気筒1の次回の膨張行程における混合気のEGR率等とがほぼ等しくなると予想されることによる。
Therefore, in this embodiment, the in-cylinder pressure in the expansion stroke of the cylinder 1 is measured or estimated, and the characteristics of the atmosphere in the combustion chamber at that time, that is, the EGR rate, the air-fuel ratio, and the like are estimated based on the level of this in-cylinder pressure. Then, according to the estimated EGR rate and the like, the strength of the high-frequency electric field (the magnitude of the high-frequency voltage applied to the center electrode of the spark plug 12) and the radiation time (in the active ignition during the next and subsequent expansion strokes of the same cylinder 1) and the radiation time ( The length of time during which the high-frequency voltage is applied to the center electrode of the
アクティブ点火において燃焼室内に放射する高周波電界の強度及び/または放射時間は、気筒1毎に個別に決定する。図7に、ECU0が高周波電界の強度及び/または放射時間を決定する具体的な手順を示す。
The intensity and / or radiation time of the high-frequency electric field radiated into the combustion chamber during active ignition is determined individually for each cylinder 1. FIG. 7 shows a specific procedure in which the
まず、ECU0は、対象の気筒1にて実際に混合気を燃焼させた今回のサイクルの膨張行程における筒内圧の最大値を計測または推測する(ステップS1)。筒内圧を検出する圧力センサが気筒1に実装されているならば、その圧力センサを介して膨張行程中の筒内圧を計測することができる。また、筒内圧と筒内温(燃焼室内温度)との間には相関があるので、筒内温を検出する圧力センサが気筒1に実装されているならば、その温度センサを介して計測される筒内温(及び、気筒1に充填された吸気量)に基づいて、間接的に膨張行程中の筒内圧を推算することができる。
First, the
あるいは、圧力センサや温度センサが気筒1に実装されていなくとも、既に述べた通り、イオン電流信号hの筒内圧との間には相関があるので、膨張行程中に検出されるイオン電流信号hの大きさに基づいて、膨張行程中の筒内圧の大きさを推定することが可能である。総じて言えば、ECU0は、筒内圧力センサの出力信号、筒内温度センサの出力信号またはイオン電流信号hを参照して、今回のサイクルの膨張行程における筒内圧の最大値を知得する。
Alternatively, even if no pressure sensor or temperature sensor is mounted on the cylinder 1, as already described, since there is a correlation with the in-cylinder pressure of the ion current signal h, the ion current signal h detected during the expansion stroke. It is possible to estimate the magnitude of the in-cylinder pressure during the expansion stroke based on the magnitude of. Generally speaking, the
次いで、ECU0は、計測または推測した膨張行程中の筒内圧の最大値から、当該膨張行程を含む今回のサイクルにおいて気筒1に充填されていた混合気の特性、特にEGR率(または、EGRガス量)を推定する(ステップS2)。通常は、混合気のEGR率が高いほど、膨張行程中に実際に生じる燃焼圧力が低くなると考えられる。
Next, the
なお、当然のことながら、膨張行程中の筒内圧は、吸気のEGR率だけでなく、点火タイミングや、そのときの内燃機関の運転領域[エンジン回転数,負荷(サージタンク33内吸気圧、気筒1に充填された吸気量または燃料噴射量)]等の影響をも受ける。よって、EGR率を推定するためには、点火タイミング及び内燃機関の運転領域等を加味する必要がある。加えて、吸気のEGR率の大きさは、EGRバルブ23の開度や、吸気バルブ及び/または排気バルブの開閉タイミング(内燃機関にVVT(Variable Valve Timing)機構が装備されている場合)に依存する。EGR率の推定精度を高めるためには、EGRバルブ23開度や吸排気バルブのバルブタイミングを考慮に入れることが好ましい。ECU0のメモリには予め、膨張行程中の筒内圧の最大値、点火タイミング、内燃機関の運転領域を示すパラメータ、EGRバルブ23の開度(必須ではない)及びバルブタイミング(必須ではない)等と、吸気の推定EGR率との関係を規定したマップデータまたは関数式が格納されている。ステップS2にて、ECU0は、対象の気筒1の今回のサイクルの膨張行程中の筒内圧の最大値、今回のサイクルの点火タイミング、今回のサイクルにおける運転領域、今回のサイクルにおけるEGRバルブ23の開度(必須ではない)及びバルブタイミング(必須ではない)等をキーとして当該マップを検索するか、またはそれらを当該関数式に代入して、今回のサイクルにおける吸気の推定EGR率を知得する。この推定EGR率は、サイクル毎に多少なりとも変動し、かつ気筒1毎でも異なり得るものである。
Needless to say, the in-cylinder pressure during the expansion stroke is determined not only by the EGR rate of the intake air but also by the ignition timing and the operating region of the internal combustion engine at that time [engine speed, load (intake pressure in the surge tank 33, cylinder 1) or the like. Therefore, in order to estimate the EGR rate, it is necessary to consider the ignition timing, the operating region of the internal combustion engine, and the like. In addition, the magnitude of the intake EGR rate depends on the opening of the
そして、ECU0は、ステップS2にて知得した混合気の特性即ち推定EGR率を基に、次回のサイクルで実行するアクティブ点火において燃焼室内に放射する高周波電界の強度及び/または放射時間を決定する(ステップS3)。これにより、次回のサイクルで気筒1に充填される吸気の特性(EGR率)に見合った大きさの電力を燃焼室内に投入できるようになり、必要十分な量のエネルギを混合気に吸収させて着火及び燃焼を惹起することが可能となる。混合気が高周波のエネルギを多量には吸収できない場合や、そもそも混合気の着火燃焼が容易である(EGR率が低い、または燃焼室内の酸素量が十分に多い)状況下では、燃焼室内に投入する電力量を削減することができる。
Then, the
但し、次回のサイクルにて気筒1に充填される混合気が高周波のエネルギを吸収できる量は、次回のサイクルにおける吸気のEGR率だけでなく、そのときの内燃機関の運転領域[エンジン回転数,負荷(サージタンク33内吸気圧、気筒1に充填された吸気量または燃料噴射量)]等の影響をも受ける。ECU0のメモリには予め、吸気のEGR率及び内燃機関の運転領域を示すパラメータ等と、適正な高周波電界の強度及び/または放射時間との関係を規定したマップデータまたは関数式が格納されている。当該マップまたは関数式は、予め実験的に求められたものである。ステップS3にて、ECU0は、対象の気筒1の今回のサイクルにおける吸気の推定EGR率を次回のサイクルにおける吸気のEGR率と見なし、このEGR率及び次回のサイクルにおける運転領域等をキーとして当該マップを検索するか、またはそれらを当該関数式に代入して、次回のサイクルにおけるアクティブ点火の際の高周波電界の強度及び/または放射時間を知得する。
However, the amount that the air-fuel mixture filled in the cylinder 1 in the next cycle can absorb high-frequency energy is not limited to the EGR rate of the intake air in the next cycle, but also the operating range of the internal combustion engine at that time [engine speed, The load (intake pressure in the surge tank 33, intake air amount filled in the cylinder 1 or fuel injection amount)] and the like are also affected. In the memory of the
本実施形態では、点火プラグ12の中心電極と接地電極との間に発生する火花放電と気筒1の燃焼室内に臨むアンテナ(点火プラグ12の中心電極)を介して燃焼室内に放射される電界とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し燃料に着火するアクティブ点火を実行可能な内燃機関であって、気筒1の膨張行程における燃焼室内圧力に基づき、同気筒1の次回以降の膨張行程の際のアクティブ点火において燃焼室内に放射する電界の強度または電界の放射時間を増減調整する内燃機関を構成した。
In the present embodiment, the spark discharge generated between the center electrode of the
本実施形態によれば、その時々の混合気の特性(特に、EGR率)のばらつきや気筒1間の差異を吸収して、アクティブ着火による混合気の着火燃焼を均一化できるようになる。従って、内燃機関の熱機械変換効率が高まり、燃費性能の向上に寄与し得る。 According to the present embodiment, variations in characteristics of the air-fuel mixture (especially, EGR rate) and differences between the cylinders 1 are absorbed, and the ignition and combustion of the air-fuel mixture due to active ignition can be made uniform. Therefore, the thermomechanical conversion efficiency of the internal combustion engine is increased, which can contribute to the improvement of fuel consumption performance.
また、燃焼室内に投入する高周波エネルギ量の不足による失火や、高周波エネルギ量の過剰による電力の浪費及び高周波の反射に伴う電界発生装置6の損傷のリスクを低減できる。電界発生装置6を反射波から保護するための高機能かつ高コストな回路保護装置が不要となることに加えて、アンテナたる点火プラグ12の中心電極に向けた高周波の伝送効率も向上(伝送損失が低減)し、電界発生装置6を構成するDC−DCコンバータ61、高周波発生回路62及び昇圧トランス63(または、マグネトロン)の出力を必要最小限に抑えることが許容され、コストダウン及び信頼性向上といった効用をも得られる。
In addition, it is possible to reduce the risk of misfire due to insufficient high-frequency energy input into the combustion chamber, waste of power due to excessive high-frequency energy, and damage to the electric field generator 6 due to high-frequency reflection. In addition to eliminating the need for a high-performance and high-cost circuit protection device for protecting the electric field generating device 6 from the reflected wave, high-frequency transmission efficiency toward the center electrode of the
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、気筒1の燃焼室内に電界を印加するための電界発生装置6は、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路に限定されない。電界発生装置6としてマイクロ波を出力するマグネトロン等を採用し、気筒1の燃焼室内にマイクロ波電界を印加してアクティブ点火を実行するものとしてもよい。 The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. For example, the electric field generator 6 for applying an electric field to the combustion chamber of the cylinder 1 is not limited to an AC voltage generating circuit that applies a high-frequency AC voltage or a pulsating voltage generator circuit that applies a high-frequency pulsating voltage. A magnetron or the like that outputs a microwave may be employed as the electric field generator 6, and active ignition may be performed by applying a microwave electric field into the combustion chamber of the cylinder 1.
上記実施形態では、点火プラグ12の中心電極を電界放射用のアンテナとしていたが、点火プラグ12とは別体のアンテナを気筒1に設け、これを介して気筒1の燃焼室内に高周波電界またはマイクロ波電界を放射してもよい。
In the above-described embodiment, the center electrode of the
ステップS3にて決定した、アクティブ点火における高周波(または、マイクロ波)電界の放射強度及び/または放射時間を、気筒1毎の学習値としてECU0のメモリに記憶させ、以後の点火制御に利用することも考えられる。この場合には、決定した高周波電界の強度及び/または放射時間を、対象の気筒1及びそのときの内燃機関の運転領域、点火タイミング、EGRバルブ23開度及びバルブタイミング(VVT機構の存在が前提である)等に関連付けて記憶する。そして、対象の気筒1において同等の運転領域、点火タイミング、EGRバルブ23開度及びバルブタイミング等が再現されるときに、先に記憶した高周波電界の強度及び/または放射時間の学習値をメモリから読み出し、これを用いて当該気筒1におけるアクティブ点火を実行する。
The high-frequency (or microwave) electric field radiation intensity and / or radiation time determined in step S3 is stored in the memory of the
本発明の適用対象となる内燃機関は、いわゆるガソリン直噴エンジンには限定されない。ディーゼルエンジンや、HCCI(Homogeneous−Charge Compression Ignition)エンジン等に、本発明を適用することも当然に考えられる。 The internal combustion engine to which the present invention is applied is not limited to a so-called gasoline direct injection engine. Naturally, it is also conceivable to apply the present invention to a diesel engine, a HCCI (homogeneous-charge compression ignition) engine, or the like.
さらには、本発明を、吸気ポートに対して燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関に適用することも可能である。 Furthermore, the present invention can also be applied to a port injection type internal combustion engine that injects fuel into an intake port.
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。 Other specific configurations of each part can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
本発明は、車両等に搭載される内燃機関として利用することができる。 The present invention can be used as an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like.
0…制御装置(ECU)
1…気筒
11…インジェクタ
12…点火プラグ、アンテナ
13…イグナイタ
14…点火コイル
2…排気ガス再循環(EGR)装置
6…電界発生装置
7…ミキサ
0 ... Control unit (ECU)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (1)
気筒の膨張行程における燃焼室内圧力に基づき、同気筒の次回以降の膨張行程の際のアクティブ点火において燃焼室内に放射する電界の強度または電界の放射時間を増減調整する内燃機関。 The spark discharge generated between the center electrode and the ground electrode of the spark plug interacts with the electric field radiated into the combustion chamber via the antenna facing the combustion chamber of the cylinder to generate plasma in the combustion chamber and ignite the fuel. An internal combustion engine capable of performing active ignition,
An internal combustion engine that adjusts the intensity of an electric field radiated in a combustion chamber or an emission time of the electric field in active ignition during the subsequent expansion stroke of the cylinder based on the pressure in the combustion chamber in the expansion stroke of the cylinder.
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WO2019212010A1 (en) * | 2018-05-02 | 2019-11-07 | マツダ株式会社 | Control device for compression ignition type engine |
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- 2014-03-26 JP JP2014064327A patent/JP2015187390A/en active Pending
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