JP2015187433A - 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.
内燃機関の点火プラグの中心電極や接地電極は、その使用期間が長くなるにつれて徐々に損耗してゆく。とりわけ、上述したアクティブ点火法を用いる場合には、その損耗が顕著に早くなるため、頻繁な点火プラグの点検及び交換が必要となる。 The center electrode and the ground electrode of the ignition plug of the internal combustion engine are gradually worn out as the period of use becomes longer. In particular, when the above-described active ignition method is used, the wear of the active ignition method is remarkably accelerated, so that frequent check and replacement of the spark plug is required.
本発明は、アクティブ点火を実行する内燃機関において、点火プラグの交換頻度を下げて利便性の向上を図ることを所期の目的としている。 An object of the present invention is to improve convenience by reducing the replacement frequency of a spark plug in an internal combustion engine that performs active ignition.
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点火プラグの中心電極をアンテナと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、同一の気筒に設置される第一の点火プラグ及び第二の点火プラグと、交流電圧を出力する交流発振器と、前記交流発振器からもたらされる交流電圧のうちの半波を通過させて前記第一の点火プラグの中心電極に向けて出力する第一の半波整流器と、前記交流発振器からもたらされる交流電圧のうちの前記第一の半波整流器により遮断される半波を通過させて前記第二の点火プラグの中心電極に向けて出力する第二の半波整流器とを具備する内燃機関を構成した。 In the present invention, the spark discharge generated between the center electrode of the spark plug and the ground electrode interacts with the electric field radiated into the combustion chamber using the center electrode of the spark plug as an antenna, thereby generating plasma in the combustion chamber to generate fuel. An internal combustion engine capable of performing active ignition that ignites the first ignition plug and the second ignition plug installed in the same cylinder, an AC oscillator that outputs an AC voltage, and the AC oscillator A first half-wave rectifier that passes a half-wave of the AC voltage and outputs the half-wave toward the center electrode of the first spark plug; and the first half-wave of the AC voltage supplied from the AC oscillator An internal combustion engine including a second half-wave rectifier that passes a half-wave blocked by the rectifier and outputs the half-wave toward the center electrode of the second spark plug is configured.
本発明によれば、アクティブ点火を実行する内燃機関において、点火プラグの交換頻度を下げて利便性を向上させることができる。 According to the present invention, in an internal combustion engine that performs active ignition, it is possible to improve convenience by reducing the replacement frequency of the spark plug.
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。本実施形態の内燃機関は、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。
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 of this embodiment is a direct injection type four-stroke gasoline engine, and includes a plurality of cylinders 1 (one of which is shown in FIG. 1). Each cylinder 1 is provided with an
各気筒1の燃焼室の天井部には、点火プラグ12、13を取り付ける。特に、本実施形態の内燃機関では、一つの気筒1に対して複数の点火プラグ12、13を設置している。それらのうちの第一の点火プラグ12は、その中心電極に正の電圧が印加されていわゆるプラス放電、即ち接地電極から中心電極に向けて電子が移動する態様の放電を惹起する。他方、第二の点火プラグ13は、その中心電極に負の電圧が印加されていわゆるマイナス放電、即ち中心電極から接地電極に向けて電子が移動する態様の放電を惹起する。本実施形態の内燃機関では、気筒1の燃焼室内に充填された混合気に点火するにあたり、第一の点火プラグ12を使用するか、第二の点火プラグ13を使用するか、あるいは両方の点火プラグ12、13を使用するかを選択することが可能である。
図2に、点火系の電気回路を示している。第一の点火コイル14は、第一の点火プラグ12に印加するべき正の電圧を供給するものである。第一の点火コイル14は、半導体スイッチング素子である第一のイグナイタ15とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。内燃機関の制御装置たるECU(Electronic Control Unit)0からの点火信号i1をイグナイタ15が受けると、まずイグナイタ15が点弧して点火コイル14の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ15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、点火コイル14の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正の誘導電圧が発生する。この誘導電圧が第一の点火プラグ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が生じる。
FIG. 2 shows an electric circuit of the ignition system. The
同様に、第二の点火コイル16は、第二の点火プラグ13に印加するべき負の電圧を供給するものである。第二の点火コイル16もまた、半導体スイッチング素子である第二のイグナイタ17とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。ECU(Electronic Control Unit)0からの点火信号i2をイグナイタ17が受けると、イグナイタ17が点弧して点火コイル16の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ17が消弧してこの電流が遮断される。すると、点火コイル16の一次側に高電圧が発生し、二次側にさらに高い負の誘導電圧が発生する。この誘導電圧が第二の点火プラグ13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が生じる。
Similarly, 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で高周波を発生させるものである。図3及び図4に示すように、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が出力する直流電圧を利用して交流の高周波を出力する交流発振器たる高周波発生回路62と、高周波発生回路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、昇圧トランス63にて昇圧された交流の高周波のうちの正電圧の半波を通過させる第一の半波整流器64と、昇圧トランス63にて昇圧された交流の高周波のうちの負電圧の半波を通過させる第二の半波整流器65とを構成要素とする。
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 generates a high frequency for the purpose of generating plasma in the combustion chamber. As shown in FIGS. 3 and 4, the electric field generator 6 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、高周波発生回路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-
本実施形態において、高周波発生回路62は、DC−DCコンバータ61が出力する直流電圧を交流電圧に変換するHブリッジ回路である。図4に、このHブリッジ回路の構成例を示している。
In the present embodiment, the high
第一の半波整流器64は、例えばダイオードを使用してなるものであり、そのアノードを昇圧トランス63の二次側巻線の出力信号ラインに接続し、カソードを第一の点火コイル14との結節点であるミキサ7に接続する。第一の半波整流器64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正電圧の脈流と化すとともに、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もうとする正の高圧パルス電流を遮る役割を担う。
The first half-
第二の半波整流器65もまた、例えばダイオードを使用してなるものであり、そのカソードを昇圧トランス63の二次側巻線の出力信号ラインに接続し、アノードを第二の点火コイル16との結節点であるミキサ8に接続する。第二の半波整流器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負電圧の脈流と化すとともに、点火タイミングにおいて点火コイル16の二次側から流れ込もうとする負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。
The second half-
電界発生装置6が発生させる高周波の脈流電圧は、点火プラグ12、13の中心電極に印加する。より具体的には、正の脈流電圧をミキサ7を介して第一の点火プラグ12の中心電極に印加し、負の脈流電圧をミキサ8を介して第二の点火プラグ13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、13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、13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 pulsating voltage generated by the electric field generator 6 is applied to the center electrodes 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、13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 spark plugs 12 and 13 is usually almost simultaneously with the start of spark discharge, immediately before the start of spark discharge, or just after the start of spark discharge.
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、13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 electrodes of the spark plugs 12 and 13. In situations where it is easy to ignite and burn stably (it is unlikely to cause a combustion failure), it is conceivable to perform conventional spark ignition to suppress power consumption.
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(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 (Exhaust Gas Recirculation) device 2 realizes a so-called high pressure loop EGR, and an EGR passage 21 communicating the upstream side of 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、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号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、第一の点火プラグ12に付随する第一のイグナイタ15に対して点火信号i1、第二の点火プラグ13に付随する第二のイグナイタ17に対して点火信号i2、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 i1 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i1、i2、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
本実施形態では、点火プラグ12、13の中心電極と接地電極との間に発生する火花放電と点火プラグ12、13の中心電極をアンテナと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、同一の気筒1に設置される第一の点火プラグ12及び第二の点火プラグ13と、交流電圧を出力する交流発振器62と、前記交流発振器62からもたらされる交流電圧のうちの半波を通過させて前記第一の点火プラグ12の中心電極に向けて出力する第一の半波整流器64と、前記交流発振器から62もたらされる交流電圧のうちの前記第一の半波整流器64により遮断される半波を通過させて前記第二の点火プラグ13の中心電極に向けて出力する第二の半波整流器65とを具備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 spark plugs 12 and 13 and the ground electrode interacts with the electric field radiated into the combustion chamber using the center electrode of the spark plugs 12 and 13 as an antenna. An internal combustion engine capable of performing active ignition that generates plasma in a room and ignites fuel, and outputs an AC voltage to a
本実施形態によれば、一つの気筒1に設置された複数の点火プラグ12、13を適宜切り替えながら使用することができるため、各点火プラグ12、13の電極の損耗を遅らせてその延命を図ることが可能となる。従って、点火プラグ12、13の点検や交換の頻度が低下し、利便性が向上する。
According to the present embodiment, since the plurality of
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、交流発振器62が出力する交流電圧の周波数、または点火プラグ12、13の中心電極に印加する半波整流後の脈流の周波数は、高周波帯には限定されず、マイクロ波帯等に属していてもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. For example, the frequency of the AC voltage output from 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許される。 Furthermore, the present invention may be applied to a port injection type internal combustion engine that injects fuel to the 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
12…第一の点火プラグ
13…第二の点火プラグ
62…交流発振器
64…第一の半波整流器
65…第二の半波整流器
0 ... Control unit (ECU)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (1)
同一の気筒に設置される第一の点火プラグ及び第二の点火プラグと、
交流電圧を出力する交流発振器と、
前記交流発振器からもたらされる交流電圧のうちの半波を通過させて前記第一の点火プラグの中心電極に向けて出力する第一の半波整流器と、
前記交流発振器からもたらされる交流電圧のうちの前記第一の半波整流器により遮断される半波を通過させて前記第二の点火プラグの中心電極に向けて出力する第二の半波整流器と
を具備する内燃機関。 Active to generate a plasma in the combustion chamber and ignite the fuel by interacting the spark discharge generated between the center electrode of the spark plug and the ground electrode with the electric field radiated in the combustion chamber using the center electrode of the spark plug as an antenna An internal combustion engine capable of performing ignition,
A first spark plug and a second spark plug installed in the same cylinder;
An AC oscillator that outputs AC voltage;
A first half-wave rectifier that passes a half-wave of the AC voltage generated from the AC oscillator and outputs the half-wave toward the center electrode of the first spark plug;
A second half-wave rectifier that passes a half-wave that is interrupted by the first half-wave rectifier out of the alternating-current voltage generated from the alternating-current oscillator and outputs the half-wave toward the center electrode of the second spark plug; An internal combustion engine provided.
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