JP2017115607A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグの絶縁碍子にカーボン等のデポジットが堆積することをできる限り抑制する。
【解決手段】気筒の燃焼室内に突出する点火プラグの突出長さを変更可能であるように点火プラグを設置しており、点火プラグのくすぶりが起こりやすいと考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて点火プラグの突出長さを変更し、または、点火プラグがくすぶっていると考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて点火プラグの突出長さを変更する内燃機関を構成した。
【選択図】図７

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。

気筒の燃焼室内の温度が低温であるときに、混合気の不完全燃焼により生じるカーボン等のデポジットが点火プラグに付着するくすぶりと呼ばれる現象が起こる。点火プラグの中心電極と接地電極とを隔てる絶縁碍子にデポジットが付着し堆積すると、中心電極と接地電極との間の絶縁抵抗が変化し、混合気への火花点火に支障を来すおそれがある。また、混合気の燃焼時に点火プラグの電極を流れるイオン電流を参照して燃焼状態を判定するシステムにあっては、堆積したデポジットによるリーク電流がイオン電流信号に混入し、判定の精度を低下させる懸念もある（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１４−１０５８２０号公報 特開２００６−０５７５４３号公報

本発明は、点火プラグの絶縁碍子にカーボン等のデポジットが堆積することをできる限り抑制しようとするものである。

上述した課題を解決するべく、本発明では、気筒の燃焼室内に突出する点火プラグの突出長さを変更可能であるように点火プラグを設置しており、点火プラグのくすぶりが起こりやすいと考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて点火プラグの突出長さを変更し、及び／または、点火プラグがくすぶっていると考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて点火プラグの突出長さを変更する内燃機関を構成した。

本発明によれば、点火プラグの絶縁碍子にカーボン等のデポジットが堆積することを抑制することができる。

本発明の一実施形態の車両用内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における火花点火装置の回路図。 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。 同実施形態の内燃機関の気筒の燃焼室の天井部及び点火プラグを示す要部拡大断面図。 同実施形態の内燃機関の気筒の燃焼室の天井部及び点火プラグを示す要部拡大断面図。 同実施形態の内燃機関の気筒の燃焼室の天井部及び点火プラグを示す要部拡大断面図。 同実施形態の内燃機関の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す図。

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。各気筒１の吸気ポート近傍には、当該気筒１に向けて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。

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１２１と接地電極１２２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。

本実施形態の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。二次側の誘導電圧は、１０ｋＶないし３０ｋＶに達する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極１２１に印加され、中心電極１２１と接地電極１２２との間で火花放電する。

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。

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。

本実施形態のＥＣＵ０は、燃料の燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、そのイオン電流を参照して燃焼状態の判定を行うことができる。

図２に示しているように、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。

点火プラグ１２の中心電極１２１と接地電極１２２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。

図３に、正常燃焼における、イオン電流及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧）のそれぞれの推移を例示する。図３中、イオン電流を破線で描画し、燃焼圧力を実線で描画している。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。

点火コイル１４への通電やバルブ２３、３２類の開閉駆動、車両に実装された電装系への電力供給源となる発電機（オルタネータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））１８は、内燃機関のクランクシャフトからエンジントルクの供給を受けて発電し、その発電した電力をバッテリ１７に充電する。

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。

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。

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、特にサージタンク３３に接続している。

図４ないし図６に示すように、本実施形態の内燃機関では、各気筒１の燃焼室に臨む点火プラグ１２を、燃焼室に対して突没進退し得るよう可動に設けている。図４は、点火プラグ１２の中心電極１２１、接地電極１２２及び絶縁碍子１２３が気筒１の燃焼室の天井部の最上面１０よりも下方に（即ち、燃焼室内に）突出している平常の状態を表す。図５は、点火プラグ１２の中心電極１２１と接地電極１２２との間のギャップが気筒１の燃焼室の天井部の最上面１０よりも下方に突出しているが、絶縁碍子１２３は燃焼室の天井部の最上面１０よりも上方に没入している状態を表す。並びに、図６は、図４の平常の状態と比較して、点火プラグ１２の中心電極１２１、接地電極１２２及び絶縁碍子１２３が気筒１の燃焼室の天井部の最上面１０よりも下方により大きく突出している状態を表す。

点火プラグ１２を気筒１の燃焼室に対して突没進退させるための具体的な機構は、一意に特定されない。例えば、点火プラグ１２を電動機により駆動するものとし、当該電動機と点火プラグ１２との間にウォームギヤ機構やラックアンドピニオン機構等を介設してもよい。あるいは、点火プラグ１２を液圧シリンダその他の液圧アクチュエータにより駆動してもよい。後者の場合の液圧アクチュエータは、内燃機関の潤滑油圧を利用することがある。

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。

ＥＣＵ０の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、要求されるエンジン負荷）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、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ｄ、車載のバッテリ１７の端子電流及び／または端子電圧を検出する電流／電圧センサから出力されるバッテリ電流／電圧信号ｅ、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ｆ、吸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、気筒１の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電流信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、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、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、点火プラグ１２を気筒１の燃焼室に対して突没進退させるための電動機や液圧アクチュエータの作動を制御する制御信号ｏ等を出力する。

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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、点火プラグ１２の燃焼室に対する突出長さ（点火プラグ１２の燃焼室に対する相対的な高さ位置）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、ｏを出力インタフェースを介して印加する。

しかして、本実施形態の内燃機関にあっては、点火プラグ１２のくすぶりが起こりやすいと考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて、気筒１の燃焼室に対する点火プラグ１２の突出長さを変更するようにしている。

点火プラグ１２にカーボン等のデポジットが付着するくすぶりは、気筒１の温度が低く、また混合気に含まれる燃料が多いときに起こりやすい。そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、図７に示すように、内燃機関の気筒１の温度を示唆する冷却水温が所定値以下であり（ステップＳ１）、かつ混合気の空燃比が所定値（例えば、理論空燃比またはその近傍の値）以下のリッチとなる程度に燃料噴射量が多い（ステップＳ２）場合に、くすぶりが起こりやすいとして、点火プラグ１２の燃焼室内への突出長さを平常よりも短くする（ステップＳ３）。

ステップＳ３により、図５に示しているように、点火プラグ１２の電極１２１、１２２のみが燃焼室の天井面１０よりも下方に突出し、絶縁碍子１２３が燃焼室の天井面１０よりも上方に引き込まれた状態となる。そして、筒内流動により、絶縁碍子１２３の周囲に存在する燃焼ガスの量が少なくなって、絶縁碍子１２３にデポジットが付着することが抑制される。

さらに、本実施形態では、点火プラグ１２がくすぶっていると考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて、気筒１の燃焼室に対する点火プラグ１２の突出長さを変更する。本実施形態のＥＣＵ０は、図７に示すように、点火プラグ１２のくすぶりが進行していると判断した（ステップＳ４）場合に、点火プラグ１２の燃焼室内への突出長さを平常よりも長くする（ステップＳ５）。

ステップＳ５により、図６に示しているように、点火プラグ１２の電極１２１、１２２及び絶縁碍子１２３が燃焼室の天井面１０よりも下方に大きく突出した状態となる。そして、燃焼室内に配置された点火プラグ１２の絶縁碍子１２３の温度が高まり、絶縁碍子１２３に付着しているデポジットの酸化または燃焼が促進される。結果、点火プラグ１２のくすぶりを除去ないし軽減することができる。

ステップＳ４にて、点火プラグ１２のくすぶりが進行しているか否かを判定する手法は複数考えられるが、例えば、点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流信号ｈを参照して、点火プラグ１２のくすぶりの程度を推測することができる。具体的には、ＥＣＵ０が、各気筒１における混合気への点火後に現れるイオン電流信号ｈの発生時間Ｔ、即ち図３に示しているようにイオン電流信号ｈの大きさが所定の閾値を上回る期間Ｔの長さを計測する。そして、その期間Ｔの長さがある判定値を超えるほど異常に長い場合に、点火プラグ１２の絶縁碍子１２３に付着し堆積したデポジットに起因するリーク電流がイオン電流信号ｈに混入している、ひいては点火プラグ１２のくすぶりが進行していると判断する。

あるいは、点火プラグ１２のくすぶりが起こりやすいと考えられる条件の下で内燃機関を運転している累積の運転時間、つまりは冷却水温が所定値以下かつ混合気の空燃比が所定値以下のリッチとなっている期間の長さを計数し、その累積運転時間がある値以上となったときに、点火プラグ１２のくすぶりが進行していると判断して、くすぶりの除去のためのステップＳ５を実行することとしてもよい。

また、ステップＳ５を実行する期間、即ち点火プラグ１２を燃焼室内に向けて平常よりも大きく突出させる期間の長さは、点火プラグ１２のくすぶりが起こりやすいと考えられる条件の下で内燃機関を運転している累積の運転時間が長いほど延長することが好ましい。

加えて、ステップＳ４の条件が成立しているとしても、エンジン回転数が所定値以上に高く、かつエンジン負荷が所定値以上に大きいときには、点火プラグ１２を燃焼室内に向けて平常よりも大きく突出させず、図４に示す平常の高さに位置づけることが好ましい。これは、点火プラグ１２の絶縁碍子１２３の温度が過剰に高まることを回避する意図である。

上記のステップＳ２及びＳ４の何れの条件も成立していない、即ち点火プラグ１２のくすぶりが起こりやすい運転状況なく現時点で点火プラグ１２のくすぶりも進行していない場合には、点火プラグ１２の燃焼室内への突出長さを図４に示す平常の長さとする（ステップＳ６）ことは言うまでもない。

本実施形態では、気筒１の燃焼室内に突出する点火プラグ１２の突出長さを変更可能であるように点火プラグ１２を設置しており、点火プラグ１２のくすぶりが起こりやすいと考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて点火プラグ１２の突出長さを変更するとともに、点火プラグ１２がくすぶっていると考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて点火プラグ１２の突出長さを変更する内燃機関を構成した。本実施形態によれば、点火プラグ１２の絶縁碍子１２３にカーボン等のデポジットが堆積することを抑制することができる。

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。上記実施形態では、点火プラグ１２のくすぶりが起こりやすいと考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて気筒１の燃焼室に対する点火プラグ１２の突出長さを変更（ステップＳ１ないしＳ３）し、並びに、点火プラグ１２がくすぶっていると考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて気筒１の燃焼室に対する点火プラグ１２の突出長さを変更（ステップＳ４及びＳ５）していたが、これらのうちの何れか一方のみを実施し、他方は実施しないこととしてもよい。

突没可能であるように可動に設置した点火プラグ１２を、気筒１に充填された混合気への火花点火時にのみ図４または図６に示す位置に突出させ、火炎伝播燃焼が起こっている間やその後の排気行程中は図５に示す位置に没入させるように操作することも考えられる。

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。

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。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１０…燃焼室の天井面
１２…点火プラグ
ｏ…点火プラグを突没進退させるための制御信号

Claims (1)

1. 気筒の燃焼室内に突出する点火プラグの突出長さを変更可能であるように点火プラグを設置しており、
   点火プラグのくすぶりが起こりやすいと考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて点火プラグの突出長さを変更し、または、点火プラグがくすぶっていると考えられる所定の条件が成立しているか否かに応じて点火プラグの突出長さを変更する内燃機関。

Images