JP5425575B2 - 火花点火式内燃機関の燃焼状態判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内に生成される電界と点火プラグによる火花放電とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関の燃焼状態判定方法に関するものである。

従来、例えば自動車用の内燃機関では、失火しないように、例えばイオン電流を用いて燃焼状態を監視し、燃焼状態の変化から失火の発生を検出するようにしている。例えば特許文献１には、燃焼に対応して発生するイオン電流の発生（持続）している時間（発生時間）と、イオン電流として検出したノイズによる電流の持続している時間（持続時間）とを合計し、発生時間と持続時間との検出回数により合計した時間を除し、商の値により失火の有無を判定するものが記載されている。失火と燃焼との判定は、あらかじめ設定する判定値と商との比較により行われるもので、商が判定値より大なる場合に正常燃焼と判定し、商が判定値より小である場合に失火と判定するものである。

一方、燃焼状態を良好にするために、点火プラグの火花放電を補うことが試みられている。例えば特許文献２に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。

特開２００８‐５１０３１号公報 特開２００７‐３２３４９号公報

ところで、特許文献２のもののようなプラズマを用いる着火方式にあっては、プラズマを生成するために、点火プラグの中心電極と接地電極とが電界中に位置するように、電界を生成する。この場合、例えば中心電極を電界生成のための手段として中心電極に交流電圧を印加すると、中心電極と接地電極との間に火花放電を生成している間は、イオン電流の検出ができなくなる。このため、上述した特許文献１のような、イオン電流を用いて失火を検出することが困難になる。しかも、プラズマが燃焼室内に残っている場合には、そのプラズマに含まれるイオンによりイオン電流が流れるため、イオン電流に基づいて失火状況を検出することが困難なことがある。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関の燃焼状態判定方法は、点火プラグを備え、点火プラグに接続される点火コイルを介して印加される高電圧により生じる火花放電と燃焼室内に生成される電界とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関の燃焼状態判定方法であって、火花放電後に点火コイルの二次側の回路に二次的に生じる二次的電圧の変化を点火毎に検出し、点火毎に検出した、点火コイルに点火信号が印加された後の所定時間内における前記二次的電圧の変化幅が所定範囲を逸脱している場合に失火を判定することを特徴とする。

このような構成によれば、失火している場合は、プラズマは生成されているが、そのプラズマを中心として火炎が燃焼室内に拡大しないため、点火プラグを介して測定される火花放電に関連して生じる二次的電圧の変化が所定範囲を逸脱するので、失火を判定することが可能になる。つまり、プラズマは形成されているものの、失火すると火炎核の形成が不安定あるいはないことになり、プラズマを媒体にして点火プラグに生じる二次的電圧に対する燃焼室内における電気抵抗が高くなることで、二次的電圧の変化が所定範囲を逸脱する。したがって、イオン電流により失火を判定する方法に比較して、精度よく失火を判定することが可能になる。

二次的電圧とは、火花放電後に点火コイルの二次側の回路において測定可能な電圧、及び電界を生成するための電界生成手段の出力側において測定可能な電圧を指すもので、具体的には、点火コイルの二次側巻線に流れる電流に基づいて測定する電圧、及び点火コイルの二次側巻線に発生する電圧、並びに電界生成手段の出力段において測定可能な電圧である。二次的電圧は、燃焼室内のプラズマに基づくイオン電流が燃焼室内に生成される電界により変調された状態で点火コイルの二次側巻線に流れることによるものである。失火を判定するに際しては、これらの電圧の変化が、所定範囲にあるか否かを判定することで行えばよい。

上記の電界生成手段としては、各種の周波数の電磁波を発生させる電磁波発生装置、燃焼室内に配置される一対の電極に交流電圧を印加する交流電圧発生装置、及び同じく一対の電極に脈流電圧を印加する脈流電圧発生装置などが挙げられる。

電磁波発生装置が発生する電磁波としては、マイクロ波、各種無線通信例えばアマチュア無線において使用される周波数を含む高周波などが挙げられる。

交流電圧発生装置が出力する交流電圧は、上述の高周波と等しい周波数のものである。

脈流電圧発生装置は、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、その直流電圧の波形は任意であってよい。すなわち、本願における脈流電圧は、０ボルトを含む基準となる電圧から、一定周期で一定電圧まで変化するパルス電圧や、一定周期で順次増減する電圧まで変化する、例えば交流電圧を半波整流したような波形の直流電圧、さらには交流に直流バイアスをかけた直流電圧などを含むものである。この場合において、一定周期は、上述の高周波における周波数に対応するものであってよい。なお、波形は、上述したものに限定されるものではなく、正弦波、鋸歯状波、三角波などであってもよい。

本発明は、本発明は、以上説明したような構成であり、失火した際に火炎核の形成が不安定あるいはないことに起因して、プラズマにより点火プラグに生じる二次的電圧に対する燃焼室内における電気抵抗が高くなって、二次的電圧の変化が所定範囲を逸脱することを判定するので、イオン電流により失火を判定する方法に比較して、精度よく失火を判定することができる。

本発明の実施形態の概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 本発明の実施形態において使用できる電磁波発生装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態において使用できる交流電圧発生装置の構成を示すブロック図。 図４におけるＨブリッジ回路の一例を示す回路図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に１気筒の構成を概略的に示したエンジン１００は、自動車用の３気筒のものである。エンジン１００の吸気系１には、図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、そのスロットルバルブ２の下流にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３が連通するシリンダヘッド４側の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、この燃料噴射弁５を電子制御装置６により制御するようにしている。そして、燃焼室７の天井部分には、点火プラグ８が取り付けてある。点火プラグ８には、イグナイタを一体に備える点火コイル９が交換可能に取り付けられている。この実施形態では、点火プラグ８の中心電極８ａを、電界を生成するための電界生成手段の一部としている。中心電極８ａは、電界生成手段であるマイクロ波発生装置１１に図示しない導波管及び同軸ケーブルを介して接続されている。また、排気系１２には、図示しないマフラに至るまでの管路に三元触媒（以下、触媒１３と称する）が配設され、その上流にはＯ₂センサ１４が取り付けられている。なお、イグナイタは、点火プラグ８をセンサとして、プラズマの生成及び混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出するイオン電流検出回路を備えるものである。

マイクロ波発生装置１１は、マグネトロン１５とマグネトロン１５を制御する制御回路１６とを備えてなる。マグネトロン１５が出力するマイクロ波は、導波管及び同軸ケーブルにより点火プラグ８に印加される。又、制御回路１６には、電子制御装置６から出力されるマイクロ波発生信号ｎが入力される構成で、制御回路１６は、入力されるマイクロ波発生信号ｎに基づいてマグネトロン１５が出力するマイクロ波の出力時期及び出力電力を制御するものである。

電子制御装置６は、中央演算処理装置１８と、記憶装置１９と、入力インターフェース２０と、出力インターフェース２１とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。中央演算処理装置１８は、記憶装置１９に格納された後述の燃焼状態判定プログラムを実行して、エンジン１００の運転制御を行うものである。また電子制御装置６は、燃焼状態判定プログラムを実行するにあたって必要な、点火コイル９の二次側電圧ｇを測定する電圧測定回路を備える。

そしてエンジン１００の運転制御を行うために必要な情報が入力インターフェース２０を介して中央演算処理装置１８に入力されるとともに、中央演算処理装置１８は出力インターフェース２１を介して制御のための信号を燃料噴射弁５などに出力する。具体的には、入力インターフェース２０には、サージタンク３内の吸入空気の圧力を検出するための吸気圧センサ２２から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出するための回転数センサ２３から出力される回転数信号ｂ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ２４から出力されるＩＤＬ信号ｃ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ２５から出力される水温信号ｄ、燃焼室７から排気弁を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を検出するためのＯ₂センサ１４から出力される電圧信号ｆ、及び後述する二次側電圧ｇなどが入力される。一方、出力インターフェース２１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｐ、イグナイタ１０に対して点火信号ｍ及びマイクロ波発生装置１１に対してマイクロ波発生信号ｎなどが出力されるようになっている。

電子制御装置６には、吸気圧センサ２２から出力される吸気圧信号ａと回転数センサ２３から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間を補正して燃料噴射弁５の開成時間、すなわちインジェクタ最終通電時間を決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を該燃料噴射弁５から吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。

このエンジン１００にあっては、マイクロ波発生装置１１が発生するマイクロ波を上述した出力時期に合わせて中心電極８ａから燃焼室７内に放射し、それにより生成される電界と点火プラグ８による火花放電とを反応させてプラズマを生成し、混合気に着火するように構成されている。プラズマを生成する場合、マイクロ波が中心電極８ａに印加されることにより、燃焼室７内には、点火プラグ８による火花放電に対して直交する方向に電界が生成される。

点火に際しては、点火プラグ８に点火コイル９により火花放電を発生させて、火花放電開始とほぼ同時あるいは火花放電開始直後あるいは火花放電開始直前にマイクロ波により電界を発生させ、火花放電と電界とを反応させてプラズマを生成させることにより、燃焼室７内の混合気を急速に燃焼させる構成である。なお、火花放電開始直後とは、遅くとも火花放電を構成する誘導放電の開始時が好ましい。

具体的には、点火プラグ８による火花放電が電界中でプラズマになり、当該プラズマにて混合気に着火を行うことで火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核が火花放電のみの点火に比べて大きくなるとともに燃焼室７内に大量のラジカルが発生することで燃焼が促進される。

これは、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ラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換すると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、火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核も大きくなるものである。

この結果、火花放電と電界とが反応し発生したプラズマにより混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ８のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室７内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

このような構成において、火花放電後の点火プラグ８に火花放電に関連して二次的に生じる二次的電圧の変化を検出し、検出した二次的電圧の変化が所定範囲を逸脱している場合に失火を判定する燃焼状態判定プログラムが電子制御装置６に内蔵してある。この実施形態においては、二次的電圧は、点火コイル９の二次側において生じる二次側電圧を採用するものである。

以下、このエンジン１００の燃焼状態判定の概略手順を、図２に示すフローチャートにより説明する。この燃焼状態判定は、燃焼の促進している定常運転状態、失火限界に近い運転状態、及び過渡運転状態において実行する。これらの運転状態にあっては、マイクロ波を中心電極８ａに印加している時間が、上記以外の運転状態に対する場合より長いものである。

まず、ステップＳ１では、点火コイル９の二次側電圧の変化を点火毎に検出するために、二次側電圧ｇを測定してその変化幅を測定する。変化幅は例えば、二次側電圧ｇの最大値と最小値とを測定し、測定した最大値と最小値との差を演算することで測定する。この実施形態では、点火プラグ８の中心電極８ａにマイクロ波を印加しているので、生成されたプラズマを媒体として点火プラグ８を介して点火コイル９の二次巻線に流れた電流に基づいて、二次側電圧ｇを測定する。二次側電圧ｇの変化幅の測定は、点火コイル８に点火信号が印加された後の所定時間だけ行う。電流は、プラズマ内におけるイオンに基づくイオン電流が、マイクロ波により変調された状態で流れるものである。

ステップＳ２では、測定した二次側電圧ｇの変化幅が、所定範囲内に入っているか否かを判定する。所定範囲は、エンジンを定常運転した場合の二次側電圧ｇの変化幅を基準にして設定するもので、定常運転において、正常な燃焼である場合に測定した二次側電圧ｇの変化幅が範囲内に収まるように、定常運転における二次側電圧ｇの変化幅より大きい範囲に設定している。このような所定範囲は、エンジン１００の運転領域、例えば低負荷低回転、低負荷高回転、高負荷低回転、高負荷高回転のように区画された運転領域に対応して設定される。

測定した二次側電圧ｇが所定範囲を逸脱していると判定した場合は、ステップＳ３に進み、この時の点火は不良で、失火したと判定する。一方ステップＳ２において、測定した二次側電圧ｇが所定範囲内に収まっていた場合は、ステップＳ４に進み、正常な燃焼と判定する。

このような構成において、例えば、排気ガス還流制御（ＥＧＲ）における排気ガス還流量が多くなることで失火限界に近い運転状態にある場合、点火プラグ８の中心電極８ａにマイクロ波を印加する時間が延びる。したがって、長時間にわたってプラズマが存在するものである。

この状態で、正常に燃焼している場合は、プラズマが生成された後、火炎核が形成されて、火炎核を中心にして火炎が燃焼室７内に拡大する。このように、火炎が拡大した場合は、燃焼室７内にあるプラズマ及び燃焼ガスにより、点火プラグ８の中心電極８ａにイオン電流が流れ込む。したがって点火プラグ８を介して測定される二次側電圧ｇは安定し、その変化は小さいものとなる。これは、プラズマが中心電極８ａ近傍に形成され、着火に十分な火炎核が形成されることで、イオン電流の流れる経路の電気抵抗が低くなることに起因する。

すなわち、この場合、プログラムを実行すると、ステップＳ１及びステップＳ２を実行し、測定した二次側電圧ｇの変化幅が所定範囲内に収まるので、ステップＳ４にて失火しておらず正常な燃焼であると判定する。

これとは逆に、失火している場合は、プラズマは生成されているが、そのプラズマを中心として火炎核が生成されない。このため、火炎が燃焼室７内に拡大しないため、点火プラグ８を介して測定される二次側電圧ｇの変化が所定範囲を逸脱する。この場合、上述とは異なり、プラズマは形成されているものの、失火すると火炎核の形成が不安定あるいはないことになる。したがって、イオン電流の燃焼室７内における電気抵抗が高くなることで、二次側電圧の変化幅が大きくなるものである。その結果、二次側電圧ｇの変化幅が所定範囲を逸脱する
すなわち、この場合、プログラムを実行すると、ステップＳ１及びステップＳ２を実行し、測定した二次側電圧ｇの変化幅が所定範囲を逸脱するので、ステップＳ３にて失火していると判定する。したがって、プラズマを長時間にわたって生成するために、プラズマを生成しない着火方法において点火後に燃焼室７内に流れるイオン電流を用いて燃焼状態を判定する方法が利用ができない状態でも、そのようなイオン電流により失火を含む燃焼状態を判定する方法に比較して、精度よく失火を判定することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態にあっては、点火コイル９の二次側巻線に流れる電流に基づいて、二次的電圧である二次側電圧ｇを測定したが、二次側巻線に発生する二次側電圧を二次的電圧として測定するものであってもよい。この場合は、発生する電圧が高圧であるので、分圧回路により電圧を測定が容易な定圧の電圧にまで分圧した後、測定するものである。さらに、二次的電圧としては、この後に図３及び図４に示して詳述する電界生成手段としての電磁波発生装置３０及び交流電圧発生装置４０の出力段に、火花放電に関連して二次的に生じる電圧を採用するものであってもよい。このような二次的電圧を採用する場合は、上述の実施形態における二次側電圧ｇを測定する必要はない。

マイクロ波発生装置としては、上述のようなマグネトロンに代えて、進行波管などであってよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。

さらには、点火プラグ８の中心電極８ａをアンテナとして機能させて、高周波給電部とするものの場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。

点火プラグ８の中心電極８ａをアンテナとして機能させるものを説明したが、中心電極８ａをアンテナとして機能させることなく、モノポールアンテナやホーンアンテナなどの別体のアンテナに電界生成手段を接続する構成であってもよい。

一方、電磁波発生装置における電磁波の周波数についてはマイクロ波の周波数帯に限られるものではなく、点火プラグ８の火花放電部分に電界を生成しプラズマを生成させることが可能な周波数であればよい。したがって、電磁波発生装置としては、例えば図３に示すような構成のものが好適である。

図３に示す電磁波発生装置３０は、例えば３００ＭＨｚの電磁波を発振する送信機３１と、送信機３１の出力端に同軸ケーブル３２で接続されるマッチングチューナ（又はアンテナチューナ）３３と、マッチングチューナ３３の出力端に不平衡ケーブル３４で接続されるとともにイグナイタを一体に備える点火コイル３５にも接続されるミキサ３６とを備えている。この例にあっては、点火プラグ８の中心電極８ａが電磁波を放射するアンテナとして機能するもので、したがって、ミキサ３６は、マッチングチューナ３３を介して送信機３１が出力する電磁波を点火プラグ８の中心電極８ａに印加するとともに、点火コイル３５からの点火電圧を中心電極８ａに印加する。ミキサ３６は、送信機３１からの電磁波と点火コイル３５からの点火電圧とを混合するものである。このような電磁波発生装置３０にあっては、電磁波の周波数を変化させることにより電磁波の出力を増減させる、あるいは周波数を一定にしておいて電磁波の出力を増減させることにより、生成する電界の強度を制御する。

この例では、送信機３１からの電磁波により、中心電極８ａと接地電極８ｂとの間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極８ａと接地電極８ｂとの間に発生する火花放電とが反応してプラズマが生成され、混合気に着火するものである。そして、電磁波発生装置３０の場合にあっては、二次的電圧が火花放電後に不平衡ケーブル３４に現れるので、不平衡ケーブル３４の位置で二次的電圧を測定すればよい。

以上に説明した電磁波発生装置に代えて、交流電圧発生装置を使用するものであってもよい。図４に示す交流電圧発生装置４０は、車両用のバッテリ４１の電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ−ＤＣコンバータ４２にて３００〜５００Ｖに昇圧し、その後、図５に例示するＨブリッジ回路４３にて周波数が約１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚ、好ましくは１００ＭＨｚの交流に変化させ、さらに昇圧トランス４４により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧する構成である。

このような交流電圧発生装置４０において、例えば点火プラグ８の中心電極８ａと接地電極８ｂとを、電界を生成するための一対の電極とする場合、上述の電磁波発生装置３０と同様に、交流電圧の出力端部となる昇圧トランス４４とイグナイタ及び点火コイルと点火プラグ８との間にはミキサが配置される。そして、中心電極８ａと接地電極８ｂとの間に高圧の交流電圧を印加することで、放電域である点火プラグ８の間隙に上記周波数帯であって極性が交互に入れ替わる電界が生成される。したがって、生成された電界と火花放電とが反応してプラズマが点火プラグ８周辺に生成され、混合気を着火するものである。この例にあっては、二次的電圧が火花放電後に昇圧トランス４４の二次側に現れるので、ミキサに至る配線部分で二次的電圧を測定すればよい。

なお、この一対の電極を中心電極８ａと接地電極８ｂとで構成するものの場合に、接地電極８ｂに代えて、シリンダヘッド、シリンダブロックあるいはピストンで代用するものであってもよい。なお、図３及び図４にて説明した構成におけるイグナイタにあっても、上述の実施形態におけるイグナイタと同等の構成を備えることは、言うまでもない。

一対の電極は、上述した点火プラグ８の中心電極８ａと接地電極８ｂとを使用する以外に、点火プラグ８を挟む位置に電極を配置する構成でもよい。すなわち、所定の距離離して、対向して一対の電極を配置する。この場合に、点火プラグ８がその電極間に位置するように、一対の電極は配置する。この場合においても、電極の一方を、接地電極、シリンダヘッド、シリンダブロックあるいはピストンで代用するものであってもよい。

なお、このような交流電圧発生装置に代えて、脈流発生装置を使用するものであってもよい。つまり、一対の電極間に交流を印加する代わりに、パルス電圧などの脈流電圧を印加することにより、一対の電極間に電界を生成するものである。脈流発生装置は、交流電圧発生装置と同様に、バッテリから供給される直流をＤＣ‐ＤＣコンバータで昇圧し、高圧の直流を所定周期で断続することにより脈流とし、その脈流を昇圧トランスにより昇圧して一対の電極に印加する構成である。脈流発生装置の場合、Ｈブリッジ回路に代えて周期的にオン・オフするスイッチング回路を用いる。このような脈流発生回路を使用することによっても、一対の電極間に電界を生成することができ、上述の実施形態同様の効果を得ることができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。

本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。

６…電子制御装置
７…燃焼室
８…点火プラグ
９…点火コイル
１５…マグネトロン
１８…中央演算処理装置
１９…記憶装置
２０…入力インターフェース
２１…出力インターフェース

Claims (3)

1. 点火プラグを備え、点火プラグに接続される点火コイルを介して印加される高電圧により生じる火花放電と燃焼室内に生成される電界とを反応させてプラズマを生成して混合気に着火する火花点火式内燃機関の燃焼状態判定方法であって、
   火花放電後に点火コイルの二次側の回路に二次的に生じる二次的電圧の変化を点火毎に検出し、
   点火毎に検出した、点火コイルに点火信号が印加された後の所定時間内における前記二次的電圧の変化幅が所定範囲を逸脱している場合に失火を判定する火花点火式内燃機関の燃焼状態判定方法。
2. 前記二次的電圧の変化幅を、点火コイルの二次側巻線に流れる電流に基づいて、または、点火コイルの二次側巻線に発生する電圧に基づいて検出する請求項１記載の火花点火式内燃機関の燃焼状態判定方法。
3. 前記二次的電圧は、燃焼室内のプラズマに基づくイオン電流が燃焼室内に生成される電界により変調された状態で点火コイルの二次側巻線に流れることによるものである請求項１または２記載の火花点火式内燃機関の燃焼状態判定方法。

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