JP2017048701A - 点火装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】点火装置1は、プラズマ装置10、第1回路11、第2回路12、制御部13を備える。
プラズマ装置10は、アーク放電を発生させる前に、混合気にプラズマ放電を発生させる。第1回路11は、点火プラグ5にアーク放電を開始させる。第2回路12は、アーク放電中に、第1回路11による通電方向とは逆の方向に1次コイル2に通電することで、2次コイル3の通電を第1回路11の動作で開始したのと同一方向に維持してアーク放電を継続させる。制御部13は、第1回路11、第2回路12、プラズマ装置10の動作を制御する。
これにより、混合気にプラズマ放電を発生させるときには、混合気にプラズマ放電を発生させないときに比べ点火プラグ5へのエネルギー投入期間を短く、エネルギー投入量を減らすことができる。
【選択図】図1
Description
さらに点火装置では、混合気にプラズマ放電を発生させるプラズマ装置を備え、プラズマ放電を発生させることで混合気にラジカルを含ませ、混合気の着火性を向上させるものが公知となっている(例えば、特許文献1、2参照。)。
プラズマ装置は、点火プラグとは別の電極からなり、アーク放電を発生させる前に、混合気にプラズマ放電を発生させる。
第2回路は、第1回路の動作によって開始したアーク放電中に、第1回路による通電方向とは逆の方向に1次コイルに通電することで、2次コイルの通電を第1回路の動作で開始したのと同一方向に維持して点火プラグの電極間にエネルギーを投入し続け、アーク放電を継続させる。
制御部は、第1回路、第2回路、および、プラズマ装置の動作を制御する。
すなわち、点火プラグへのエネルギー投入量を一定として、混合気にプラズマ放電を発生させると、エネルギー投入期間を短くすればするほど発生熱量が増加することが分かった(図5参照。)。
図1〜図2を参照して実施例の点火装置1を説明する。
点火装置1は、1次コイル2および2次コイル3を有する点火コイル4と、2次コイル3に接続する点火プラグ5とを備え、1次コイル2への通電のオンオフに伴う電磁誘導により点火プラグ5にエネルギーを投入して混合気にアーク放電を発生させる。
ここで、点火装置1は、車両走行用の内燃機関6に搭載されるものであり、所定の点火時期に燃焼室7内の混合気に点火する。
また、内燃機関6は、例えば、ガソリンを燃料とする希薄燃焼(リーンバーン)が可能であり、燃焼室7内にタンブル流やスワール流等の混合気の旋回流が生じるように設けられている。
以下、点火装置1について詳述する。
先ず、プラズマ装置10は、放電部14と高電圧高周波発生部15から構成される周知の構成である。放電部14は、点火プラグ5とは別に設けられており、点火プラグ5によるアーク放電を発生させる前に、混合気にプラズマ放電を発生させる。
なお、混合気は、先ず、放電部14にてプラズマ放電を受けた後に、例えば、タンブル流によって、点火プラグ5に到達してアーク放電を受ける(図2点線参照。)。
制御部13は、プラズマ装置10、第1、第2回路11、12の動作を制御する部分であり、次の電子制御ユニット(以下、ECU20と呼ぶ。)および投入ドライバ21等により構成される。
そしてECU20は、これらセンサから得られるパラメータの検出値に基づき、点火装置1による点火制御、プラズマ放電制御、燃料噴射弁18による燃料噴射制御等を実行する。
以下、第1回路11の動作により発生したアーク放電を主点火と呼ぶことがある。また、1次コイル2の通電方向(つまり1次電流の方向)は、バッテリ30から第1スイッチ31に向かう方向をプラスとする。
なお、第1スイッチ31は、パワートランジスタ、MOS型トランジスタ、サイリスタ等である。また、点火信号IGtは、第1回路11において1次コイル2にエネルギーを蓄えさせる期間および点火開始時期を指令する信号である。
ここで、昇圧回路33は、ECU20から点火信号IGtが与えられる期間においてバッテリ30の電圧を昇圧してコンデンサ36に蓄えるものである。
チョークコイル37は一端がバッテリ30のプラス極に接続され、昇圧スイッチ38によりチョークコイル37の通電状態が断続される。また、昇圧ドライバ39は、昇圧スイッチ38に制御信号を与えて昇圧スイッチ38をオンオフさせるものである。ここで、昇圧スイッチ38は、例えば、MOS型トランジスタである。そして、コンデンサ36は、昇圧スイッチ38のオンオフ動作により、チョークコイル37に発生した磁気的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして蓄える。
第2スイッチ34は、例えば、MOS型トランジスタであり、コンデンサ36に蓄えるエネルギーを1次コイル2のマイナス側から投入するのをオンオフするものである。
ダイオード44は、1次コイル2から第2スイッチ34側への電流の逆流を阻止するものである。
そして、第2スイッチ34は、投入ドライバ21から与えられる制御信号によりオン動作することで、昇圧回路33から1次コイル2のマイナス側にエネルギーを投入する。
ここで、放電継続信号IGwは、主点火として発生したアーク放電を継続させる期間を指令する信号である。
以下、第2回路12の動作により主点火に継続するアーク放電を継続火花放電と呼ぶことがある。
ここで、2次コイル3の一端は先述したように点火プラグ5の中心電極8に接続し、2次コイル3の他端は、2次コイル3に発生する電圧である2次電圧、および、2次電流を検出して制御部13にフィードバックするF/B回路46に接続している。
なお、2次コイル3の他端は、2次電流の方向を一方向に限定するダイオード47を介してF/B回路46に接続している。また、F/B回路46には、2次電流を検出するためのシャント抵抗48が接続している。
より具体的には、投入ドライバ21は、2次電流の検出値が上限より大きくなったら制御信号の出力を停止し、2次電流の検出値が下限よりも小さくなったら制御信号の出力を開始する。
ここで、制御部13は、第1、第2回路11、12に対する制御モードとして、プラズマ装置10を動作させるときに使用する第1モードと、プラズマ装置10を動作させないときに使用する第2モードとを有している。以下においては第1モード使用時の例を示す。
そして、燃料噴射弁18の噴孔が開いている期間(時間t01〜t03参照。)の途中において、プラズマ装置10の動作を開始し(時間t02参照。)、混合気にプラズマを発生させる。そして、プラズマ装置10は、噴孔からの燃料供給が遮断された後(時間t03参照。)も、所定期間動作した後、停止する(時間t04参照。)。
さらに、噴孔開から点火信号IGtがローからハイへ切り替わるまでの期間(時間t01〜時間t05参照。)は、例えば、燃料噴射弁18と点火プラグ5との位置関係、混合気に生じる旋回流等に基づいて設定されている。
点火プラグ5において主点火が発生した後、2次電流は略三角波形状で減衰する(I2点線参照。)。そして、2次電流が下限の閾値に到達する前に、放電継続信号IGwがローからハイへ切り替わる(時間t07参照。)。
より、具体的には、第2スイッチ34がオンされる毎に1次コイル2からバッテリ30のプラス極に向かう1次電流が追加され、1次電流がマイナス側に増加していく(時間t07〜t08参照。)。
以上により、第2スイッチ34をオンオフ制御することで、2次電流がアーク放電を維持可能な程度に継続して流れる。その結果、放電継続信号IGwのオン状態が続くと、継続火花放電が点火プラグ5において維持される。
ここで、本発明者らは、この点火装置1を用いて鋭意研究検討を重ねた結果、以下のような知見を得た。
すなわち、混合気にプラズマ放電を発生させ、第1、第2回路11、12によるエネルギー投入量を一定とした条件下において、エネルギー投入期間と点火による発生熱量との関係を調べたところエネルギー投入期間が短いほど発生熱量が増加することを見出した(図5参照。)。
ここで、図中丸印は、プラズマ装置10の動作時に得られる発生熱量Qである。また、図中三角印は、比較として示したもので、プラズマ装置10の非動作時に得られる発生熱量Qである。
また、図中A、B、Cは、それぞれ、図4(a)、(b)、(c)におけるエネルギー投入期間Itに対応している。
具体的には、プラズマ装置10の非動作時は、エネルギー投入期間Itの長さに関わらず発生熱量Qはほとんど変化しない。一方、プラズマ装置10の動作時はエネルギー投入期間ItをC→B→Aの順に短くするほど発生熱量Qは大きくなっている。これにより、発生熱量Qの差はエネルギー投入期間Itを短くするほど大きくなっている。
これにより、第1モード(プラズマ装置10の動作時に使用するモード)では、第1、第2回路11、12によるエネルギー投入期間が第2モード(プラズマ装置10非動作時に使用するモード)より短く、第1、第2回路11、12によるエネルギー投入量が第2モードより低くなるようにできる。
実施例の制御方法について説明する。
まず、制御部13は、プラズマ装置10を動作させるか否かを判定する。
プラズマ装置10を動作させると判定した場合、第1モードを実行し、プラズマ装置10を動作させないと判定した場合、第2モードを実行する。
なお、制御部13によるプラズマ装置10を動作させるか否かの判定は、プラズマ装置10の故障の有無や、プラズマ装置10を使う必要性の有無に基づいて行われる。
具体的には、例えば、エネルギー投入量を減らしたいときに電圧印加周波数を増加させる。
実施例の点火装置1によれば、プラズマ装置10の動作時には、プラズマ装置10の非動作時に比べ点火プラグ5へのエネルギー投入期間を短く、エネルギー投入量を減らすことができる。このため、プラズマ装置10を備える点火装置1では、点火プラグ5の電極8、9の消耗を抑制することができる。
これにより、例えば、エネルギー投入量を減らしても電圧印加周波数を増やすことで発生熱量Qを維持することができる。このため、点火プラグ5の電極の消耗をさらに抑制することができる。
これにより、燃料にプラズマ放電を発生させることで、水素ラジカルや炭化水素ラジカルを生成することができる。このため、より発生熱量Qを高めることができる水素ラジカルや炭化水素ラジカルを利用することができる。
本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形例を考えることができる。
実施例によれば、プラズマ装置10は、電極16、17が燃焼室7に臨むように設けられていたが、図6に示すように、電極16、17を吸気路19に臨むようにプラズマ装置10を配してもよい。
また、実施例においては、燃料噴射弁18は、吸気路19に設けられていたが、図7に示すように、噴孔が燃焼室7に臨むように燃料噴射弁18を設けてもよい。
8 中心電極(電極) 9 接地電極(電極) 10 プラズマ装置 11 第1回路
12 第2回路 13 制御部 16 中心電極(電極) 17 接地電極(電極)
Claims (4)
- 1次コイル(2)および2次コイル(3)を有する点火コイル(4)と、前記2次コイルに接続する点火プラグ(5)とを備え、前記1次コイルへの通電のオンオフに伴う電磁誘導により前記点火プラグの電極(8、9)間にエネルギーを投入して混合気にアーク放電を発生させる内燃機関用の点火装置(1)において、
前記点火プラグとは別の電極(16、17)からなり、アーク放電を発生させる前に、前記混合気にプラズマ放電を発生させるプラズマ装置(10)と、
前記1次コイルへの通電をオンオフすることで、前記点火プラグにアーク放電を開始させる第1回路(11)と、
この第1回路の動作によって開始したアーク放電中に、前記第1回路による通電方向とは逆の方向に前記1次コイルに通電することで、前記2次コイルの通電を前記第1回路の動作で開始したのと同一方向に維持して前記点火プラグの電極間にエネルギーを投入し続け、アーク放電を継続させる第2回路(12)と、
前記第1回路、前記第2回路、および、前記プラズマ装置の動作を制御する制御部(13)とを備えることを特徴とする点火装置。 - 請求項1に記載の点火装置において、
前記制御部は、
前記第1、第2回路に対する制御モードとして、前記プラズマ装置を動作させるときに使用する第1モードと、前記プラズマ装置を動作させないときに使用する第2モードとを有し、
前記第1モードでは、前記第1、第2回路によるエネルギー投入期間が前記第2モードより短く、前記第1、第2回路によるエネルギー投入量が前記第2モードより低いことを特徴する点火装置。 - 請求項2に記載の点火装置において、
前記制御部は、前記第1モードにおいて、前記プラズマ装置の電極間の電圧印加周波数を前記エネルギー投入期間および前記エネルギー投入量に応じて変更することを特徴とする点火装置。 - 請求項1ないし請求項3の内のいずれか一つに記載の点火装置において、
前記混合気の流れに関して、前記プラズマ装置の電極よりも上流側で燃料が噴射されることを特徴とする点火装置。
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