JP5794814B2 - Spark ignition internal combustion engine - Google Patents

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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により生成される生成物とを反応させてプラズマを生成して燃焼を促進する火花点火式内燃機関に関するものである。 The present invention relates to a spark ignition internal combustion engine that promotes combustion by generating plasma by reacting an electric field generated in a combustion chamber with a product generated by spark discharge by an ignition plug.

従来、例えば自動車用の内燃機関では、点火プラグの中心電極と接地電極との間に高電圧を印加し、両電極間のギャップに生成する火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火において例えば、火花エネルギが不足して火炎核ができにくい場合が生じたりする。   Conventionally, for example, in an internal combustion engine for an automobile, a high voltage is applied between a center electrode and a ground electrode of an ignition plug, and a spark discharge generated in a gap between both electrodes causes an air-fuel mixture in a combustion chamber at each ignition timing. It is igniting. In such ignition by the spark plug, for example, there may be a case where the spark energy is insufficient and it is difficult to form a flame kernel.

上記したような火花点火時の不具合を解決するために例えば、特許文献１に記載のものでは、燃焼室内にプラズマを生成し、そのプラズマと火花放電とを反応させることにより、火炎核を確実に生成するようにしている。そしてこの特許文献１のものでは、内燃機関の負荷の変動、特には定常運転状態から定常運転状態に移る際の過渡運転状態に応じて、供給する燃料及び吸入空気量に対応させて、プラズマを生成するための電界の強度を制御する構成である。具体的には、特許文献１では、電界の強度を制御する場合、電界を生成するための電磁波発生装置が出力する電磁波例えばマイクロ波の出力つまり電圧の振幅あるいはその電圧の印加時間を制御するものである。   In order to solve the problems at the time of spark ignition as described above, for example, in the one described in Patent Document 1, plasma is generated in the combustion chamber, and the plasma and the spark discharge are reacted, so that the flame kernel is surely obtained. It is trying to generate. And in this patent document 1, according to the fluctuation | variation of the load of an internal combustion engine, especially the transient operation state at the time of shifting from a steady operation state to a steady operation state, plasma is made to respond | correspond to the amount of fuel and intake air supplied. In this configuration, the strength of the electric field for generation is controlled. Specifically, in Patent Document 1, when controlling the strength of an electric field, an electromagnetic wave output from an electromagnetic wave generator for generating the electric field, for example, a microwave output, that is, a voltage amplitude or a voltage application time is controlled. It is.

しかしながら、減速の過渡運転となる場合に電磁波の電圧を下げると、プラズマの生成量が少なくなるために、火花放電により生成される生成物であるイオンや電子等が互いに衝突を繰り返しながら移動し得る範囲が狭くなる。これにより、プラズマにより生成した火炎核を中心にした燃焼が狭い範囲でしか拡大しなくなり、結果として燃焼の促進が抑えられることになった。又、電圧の印加時間を短縮すると、上述の生成物が反応する時間が短縮されることになり、十分な燃焼の促進が望めない。   However, if the electromagnetic wave voltage is lowered in the case of transient operation of deceleration, the amount of plasma generated decreases, so that ions, electrons, etc., which are products generated by spark discharge, can move while repeatedly colliding with each other. The range becomes narrower. As a result, the combustion centering on the flame kernel generated by the plasma is expanded only in a narrow range, and as a result, the promotion of the combustion is suppressed. Moreover, if the voltage application time is shortened, the reaction time of the above-mentioned product is shortened, and sufficient combustion promotion cannot be expected.

特開２０１１‐７１５７号公報JP 2011-7157 A

そこで本発明は以上の点に着目し、プラズマを生成して火花点火を行う内燃機関において、その出力変更の要求に対する応答性を改善することで、燃焼効率の向上を図ることを目的としている。   Accordingly, the present invention focuses on the above points and aims to improve combustion efficiency by improving the response to the request for changing the output in an internal combustion engine that generates plasma and performs spark ignition.

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関は、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、高周波電圧発生手段に接続される中心電極を介して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、混合気に着火する内燃機関であって、前記高周波電圧発生手段が、一次側に複数の巻線を有する昇圧トランスを備えており、それら複数の一次側巻線にぞれぞれ位相の異なる高周波を印加するものとし、火花点火式内燃機関の運転状況に応じて、前記複数の一次側巻線のうちの何れかへの高周波の印加を停止することにより、前記高周波電圧発生手段で印加する高周波の波形の間引きを実施することを特徴とする。 That is, the spark ignition type internal combustion engine of the present invention has a spark discharge generated by a high voltage applied through an ignition coil connected to a spark plug and a combustion chamber through a center electrode connected to high frequency voltage generating means. An internal combustion engine that reacts with a generated electric field to generate plasma and ignite an air-fuel mixture, wherein the high-frequency voltage generating means includes a step-up transformer having a plurality of windings on the primary side, and A high frequency having a different phase is applied to each of the plurality of primary windings, and a high frequency is applied to any one of the plurality of primary windings according to the operating condition of the spark ignition internal combustion engine. The high-frequency waveform applied by the high-frequency voltage generating means is thinned out.

このような構成によれば、高周波電圧発生手段で印加する高周波の波形は、火花点火式内燃機関の運転状況に応じて間引きすることで、燃焼室内に生成される電界の強度が低くなる。したがって、生成されるプラズマも弱くなり、運転状況に応じた点火の際のエネルギを混合気に対して供給することが可能になり、燃焼効率を向上させることが可能になる。   According to such a configuration, the intensity of the electric field generated in the combustion chamber is reduced by thinning out the high-frequency waveform applied by the high-frequency voltage generating means in accordance with the operating condition of the spark ignition internal combustion engine. Therefore, the generated plasma is weakened, and it is possible to supply the air-fuel mixture with the energy at the time of ignition in accordance with the operating condition, thereby improving the combustion efficiency.

本発明は、以上説明したような構成であり、運転状況に応じた点火の際のエネルギを混合気に対して供給することができ、燃焼効率を向上させることができる。しかも、高周波電圧発生手段の作動、停止を繰り返すよりもエネルギ損失を小さくすることができる。   The present invention has a configuration as described above, and can supply energy to the air-fuel mixture at the time of ignition in accordance with the operating condition, thereby improving the combustion efficiency. Moreover, the energy loss can be made smaller than when the operation and stop of the high-frequency voltage generating means are repeated.

本発明の実施形態を適用するエンジンの要部を示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of the engine to which embodiment of this invention is applied. 同実施形態における点火装置の電気回路図。The electric circuit diagram of the ignition device in the embodiment. 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the control procedure of the embodiment. 同実施形態の変形例における点火装置の電気回路図。The electric circuit diagram of the ignition device in the modification of the embodiment.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、点火プラグ１を備える火花点火式内燃機関である二気筒のエンジン１００の一気筒の構成を示すものである。このエンジン１００は、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１を中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１が取り付けられてあり、吸気ポート２には燃焼室６へ供給する混合気を生成するための燃料噴射弁を備える。なお、エンジン１００それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。   FIG. 1 shows a configuration of one cylinder of a two-cylinder engine 100 that is a spark ignition type internal combustion engine including a spark plug 1. In this engine 100, the opening 3 of the intake port 2 and the opening 5 of the exhaust port 4 are arranged opposite to each other centering on a spark plug 1 that is attached to substantially the center of the ceiling portion of the combustion chamber 6. Open. That is, the engine 100 is attached to the cylinder block 7, and the camshafts 9 and 10 are attached to the intake side and the exhaust side of the cylinder head 8 forming the ceiling portion of the combustion chamber 6, respectively. The intake port 2 of the cylinder head 8 is opened and closed by an intake valve 11 that reciprocates when the camshaft 9 rotates, and the exhaust port 4 is opened and closed by an exhaust valve 12 that reciprocates when the camshaft 10 rotates. Is. An ignition plug 1 is attached to the ceiling portion of the combustion chamber 6, and a fuel injection valve for generating an air-fuel mixture supplied to the combustion chamber 6 is provided in the intake port 2. The engine 100 itself may be a spark ignition type that is known in this field.

この実施形態の点火プラグ１は、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から火花放電が発生する間隙１４だけ離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１５と、イグナイタと点火コイルとが構造上一体にされてなるイグナイタ付点火コイル（以下、点火コイルと称する）２１、２２が電気的に接続される接続端子１７とを基本的に備える。点火プラグ１は、この分野でよく知られたものを用いるものであってよい。   The spark plug 1 of this embodiment includes a housing 13 made of a conductive material, a center electrode 14 that is insulated and attached in the housing 13, and a gap 14 that generates a spark discharge from the center electrode 14 at the lower end of the housing 13. Basically, a ground electrode 15 provided, and an igniter-equipped ignition coil (hereinafter referred to as an ignition coil) 21 and 22 in which an igniter and an ignition coil are structurally integrated are connected to a connection terminal 17 electrically connected. Prepare. The spark plug 1 may be one that is well known in this field.

点火プラグ１に接続される点火装置２０は、図２に示すように、点火プラグ１に接続される点火コイル２１と、点火コイル２１の二次側巻線２１ａにカソードが接続されるダイオード２２と、昇圧トランス２３をその出力段に備えて火花点火時の所定時期に、燃焼室６内、特には点火プラグ１の中心電極１４を中心とする領域に電界を生成するための高周波電圧発生装置２４とを備えている。高周波電圧発生装置２４は、昇圧トランス２３と、昇圧トランス２３に接続される高周波発生回路２５と、高周波電圧を少なくともその波高値だけバイアスするバイアス回路２６とを備えている。図中、４０は、車体と同電位にされるグランドである。   As shown in FIG. 2, the ignition device 20 connected to the ignition plug 1 includes an ignition coil 21 connected to the ignition plug 1, and a diode 22 having a cathode connected to the secondary winding 21a of the ignition coil 21. A high-frequency voltage generator 24 for generating an electric field in the combustion chamber 6, particularly in a region centering on the center electrode 14 of the spark plug 1, at a predetermined timing during spark ignition, with the step-up transformer 23 provided in its output stage. And. The high-frequency voltage generator 24 includes a step-up transformer 23, a high-frequency generation circuit 25 connected to the step-up transformer 23, and a bias circuit 26 that biases the high-frequency voltage by at least its peak value. In the figure, reference numeral 40 denotes a ground having the same potential as that of the vehicle body.

昇圧トランス２３は、以下に説明する高周波電圧発生回路２５から出力される二種類の高周波を１０〜２０倍程度に合成して昇圧するとともに、高周波の波形を間引くように機能する。つまり、一次側第一巻線２３ｂと一次側第二巻線２３ｃとに印加される位相が１／２波長異なる高周波を合成することにより、昇圧トランス２３は波形の間引きがない高周波を出力するとともに、一次側第二巻線２３ｃに印加する高周波を停止することにより、波形の間引きを行った形態の高周波を出力する。   The step-up transformer 23 synthesizes and boosts two types of high frequencies output from the high-frequency voltage generation circuit 25 described below about 10 to 20 times, and functions to thin out high-frequency waveforms. In other words, the step-up transformer 23 outputs a high frequency with no waveform thinning by synthesizing a high frequency whose phase applied to the primary side first winding 23b and the primary second winding 23c is ½ wavelength different. By stopping the high frequency applied to the primary side second winding 23c, the high frequency in the form of waveform thinning is output.

高周波発生回路２５は例えば、車両用のバッテリ２７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２８にて３００〜５００Ｖに昇圧し、昇圧された直流をＨブリッジ回路２９にて周波数が約２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚの交流に変化させる構成である。   For example, the high-frequency generation circuit 25 boosts the voltage of the vehicle battery 27, for example, about 12 V (volts) to 300 to 500 V by the DC-DC converter 28 that is a booster circuit, and the boosted direct current by the H bridge circuit 29. The frequency is changed to an alternating current of about 200 kHz to 600 kHz.

高周波電圧発生回路２５は例えば、車両用のバッテリ２７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２８にて３００〜５００Ｖに昇圧し、昇圧された直流をＨブリッジ回路２９にて周波数が約１００ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの交流に変化させる構成である。この実施形態の高周波電圧発生回路２５は、上述した構成により主となる高周波つまり昇圧トランス２３の一次側第一巻線２３ｂに印加する高周波（以下、主高周波と称する）を発生させ、その主高周波を１／２波長遅延させる遅延回路（Ｈブリッジ回路２９に内蔵）にて、昇圧トランス２３の一次側第二巻線２３ｃに印加する高周波（以下、副高周波と称する）を発生させている。したがって、主高周波と副高周波とは電圧及び周波数が同一である高周波である。又、主高周波及び副高周波は、デューティ比が０．２５に設定してある。   For example, the high frequency voltage generation circuit 25 boosts the voltage of the vehicle battery 27, for example, about 12 V (volts) to 300 to 500 V by the DC-DC converter 28 that is a booster circuit, and the boosted direct current is supplied to the H bridge circuit 29. Thus, the frequency is changed to an alternating current of about 100 kHz to 300 kHz. The high-frequency voltage generation circuit 25 of this embodiment generates a main high frequency, that is, a high frequency (hereinafter referred to as a main high frequency) to be applied to the primary side first winding 23b of the step-up transformer 23 by the above-described configuration. A high frequency (hereinafter referred to as a sub-high frequency) to be applied to the primary side second winding 23c of the step-up transformer 23 is generated by a delay circuit (incorporated in the H bridge circuit 29) that delays ½ wavelength. Therefore, the main high frequency and the sub high frequency are high frequencies having the same voltage and frequency. Further, the duty ratio of the main high frequency and the sub high frequency is set to 0.25.

したがって、高周波電圧発生装置２４は、昇圧トランス２３により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧される、周波数が２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚでデューティ比が０．２５と０．５０の高周波を出力するものである。デューティ比の切り替えつまり波形の間引きは、電子制御装置３０により制御される。なお、出力する高周波の電圧は、火花放電における誘導放電を維持させるに十分な、言い換えれば誘導放電を減衰させない電圧（以下、維持電圧と称する）以上に設定する。これは、高周波の電圧が維持電圧より小さいと、生成される電界の強度が低くなり、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、蛇行しなくなる可能性が生じ、プラズマによる燃焼の促進が低下することを考慮しているためである。   Therefore, the high-frequency voltage generator 24 outputs a high-frequency voltage boosted to about 4 kVp-p to 8 kVp-p by the step-up transformer 23 and having a frequency of 200 kHz to 600 kHz and duty ratios of 0.25 and 0.50. . Switching of the duty ratio, that is, thinning of the waveform is controlled by the electronic control unit 30. Note that the high-frequency voltage to be output is set to a voltage that is sufficient to maintain the induced discharge in the spark discharge, in other words, a voltage that does not attenuate the induced discharge (hereinafter referred to as a sustain voltage). This is because when the high-frequency voltage is smaller than the sustain voltage, the strength of the generated electric field is reduced, and the flow of electrons due to the spark discharge and the ions and radicals generated by the spark discharge may not meander, resulting in plasma. This is because the reduction of the acceleration of combustion is taken into consideration.

バイアス回路２６は、ＤＣ‐ＤＣコンバータ２８の出力電圧を分圧する抵抗２６ａ、２６ｂにより構成される。バイアス回路２６は、Ｈブリッジ回路２９の基準電圧側に接続されてＨブリッジ回路２９から出力される高周波を、その波高値だけバイアスする。具体的には例えば、Ｈブリッジ回路２９から約２８０Ｖｐ‐ｐの高周波が出力される場合、バイアス回路２６は、１４０Ｖの負極性の直流電圧を出力する。これにより、昇圧トランス２３には、０Ｖから２８０Ｖの間で周期的に変化する負極性の直流電圧（脈流電圧）が入力するものとなる。この結果、昇圧トランス２３したがって高周波電圧発生装置２４は最小値が０Ｖ、最大値が２．８ｋＶで周期的に変化する負極性の、例えば矩形波による直流電圧を出力する。   The bias circuit 26 includes resistors 26 a and 26 b that divide the output voltage of the DC-DC converter 28. The bias circuit 26 is connected to the reference voltage side of the H bridge circuit 29 and biases the high frequency output from the H bridge circuit 29 by the peak value. Specifically, for example, when a high frequency of about 280 Vp-p is output from the H bridge circuit 29, the bias circuit 26 outputs a negative DC voltage of 140 V. As a result, a negative DC voltage (pulsating voltage) that periodically changes between 0 V and 280 V is input to the step-up transformer 23. As a result, the step-up transformer 23 and thus the high-frequency voltage generator 24 outputs a negative DC voltage, such as a rectangular wave, which periodically changes with a minimum value of 0 V and a maximum value of 2.8 kV.

Ｈブリッジ回路２９は、主となる高周波つまり昇圧トランス２３の一次側第一巻線２３ｂに印加する高周波（以下、主高周波と称する）と、その主高周波を１／２波長遅延させる遅延回路にて、昇圧トランス２３の一次側第二巻線２３ｃに印加する高周波（以下、副高周波と称する）とを発生させている。したがって、主高周波と副高周波とは電圧及び周波数が同一である高周波である。又、主高周波及び副高周波は、デューティ比が０．２５に設定してある。   The H bridge circuit 29 is a main high frequency, that is, a high frequency applied to the primary side first winding 23b of the step-up transformer 23 (hereinafter referred to as main high frequency) and a delay circuit that delays the main high frequency by ½ wavelength. A high frequency (hereinafter referred to as sub-high frequency) applied to the primary side second winding 23c of the step-up transformer 23 is generated. Therefore, the main high frequency and the sub high frequency are high frequencies having the same voltage and frequency. Further, the duty ratio of the main high frequency and the sub high frequency is set to 0.25.

なお、高周波電圧発生装置２４が出力する負極性の直流電圧は、上述の例に限定されるものではなく、例えば２ｋＶ〜８ｋＶの範囲のものであってよい。   Note that the negative DC voltage output from the high-frequency voltage generator 24 is not limited to the above example, and may be, for example, in the range of 2 kV to 8 kV.

ダイオード２２は、点火コイル２１が発生する火花放電のための高電圧に対して、逆流防止ダイオードとして機能する。すなわち、この実施形態にあっては、燃焼行程において点火を実施する際には、点火コイル２１の二次側巻線２１ａから、点火プラグ１の中心電極１４に正極性の高電圧が印加されるものである。したがって、ダイオード２２は、そのカソードが二次側巻線２１ａに接続され、そのカソードが昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａの一方端に接続されるので、前記負極性の高電圧が高周波電圧発生装置２４に逆流することを防止する。   The diode 22 functions as a backflow prevention diode with respect to a high voltage for spark discharge generated by the ignition coil 21. That is, in this embodiment, when ignition is performed in the combustion stroke, a positive high voltage is applied from the secondary winding 21a of the ignition coil 21 to the center electrode 14 of the spark plug 1. Is. Therefore, the diode 22 has its cathode connected to the secondary winding 21a and its cathode connected to one end of the secondary winding 23a of the step-up transformer 23, so that the negative high voltage is a high-frequency voltage. Backflow to the generator 24 is prevented.

電子制御装置３０は、エンジン１００に取り付けられる各種のセンサから出力される信号に基づいてエンジン１００の運転状態を制御する運転制御プログラムを内蔵するとともに、火花点火に関しては、エンジン１００の運転状況に応じて高周波電圧発生装置２６で点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５との間に印加する高周波の波形を間引く制御を実施するための高周波制御プログラムを内蔵する。高周波制御プログラムの制御手順を、図３に示す。この高周波制御プログラムは、エンジン１００が始動された後、停止されるまでの間、所定時間毎に繰り返し実行される。   The electronic control unit 30 incorporates an operation control program for controlling the operation state of the engine 100 based on signals output from various sensors attached to the engine 100, and the spark ignition depends on the operation state of the engine 100. The high frequency voltage generator 26 incorporates a high frequency control program for performing control to thin out the high frequency waveform applied between the center electrode 14 and the ground electrode 15 of the spark plug 1. The control procedure of the high frequency control program is shown in FIG. This high frequency control program is repeatedly executed at predetermined intervals after the engine 100 is started and until it is stopped.

火花点火に際して、電子制御装置３０から出力される点火信号が点火コイル２１のイグナイタに入力されると、点火コイル２１の二次側巻線２１ａから、点火プラグ１の中心電極１４に負極性の高電圧が印加されて、火花放電が始まる。火花放電が始まると、まず、容量放電による容量火花が生じ、その後に誘導放電による誘導火花が生じる。高周波電圧発生装置２４が出力する高周波は、誘導電圧の発生直前、ほぼ同時、あるいは直後のタイミングで、点火プラグ１に印加する。   During spark ignition, when an ignition signal output from the electronic control device 30 is input to the igniter of the ignition coil 21, a negative polarity high voltage is applied from the secondary winding 21a of the ignition coil 21 to the center electrode 14 of the spark plug 1. A voltage is applied and spark discharge begins. When the spark discharge starts, a capacitive spark is first generated by the capacitive discharge, and then an induced spark is generated by the induction discharge. The high frequency output from the high frequency voltage generator 24 is applied to the spark plug 1 immediately before, almost simultaneously with, or immediately after the induction voltage is generated.

まず、ステップＳ１では、エンジン１００の要求出力は所定値以下か否かを判定する。要求出力は、少なくともアクセルの操作量あるいはスロットル弁の開度にもとづいて検出するものである。また所定値は例えば、要求出力の低い低負荷低回転領域を判定し得る値に設定する。   First, in step S1, it is determined whether the required output of the engine 100 is a predetermined value or less. The required output is detected based on at least the accelerator operation amount or the throttle valve opening. The predetermined value is set to a value that can determine a low-load low-rotation region with a low required output, for example.

ステップＳ１において、エンジン１００の要求出力が所定値を上回っていると判定した場合は、要求出力が所定値以下となるまで、この判定を繰り返し実行する。この間、高周波電圧発生回路２５が、昇圧トランス２３の一次側第一巻線２３ｂに主高周波を、一次側第二巻線２３ｃに副高周波をそれぞれ印加する。したがって、昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａには、デューティ比は０．２５であるが１周期の間に波形が２個ある、つまり１／２周期毎に波形がある高周波が発生する。したがって、エンジン１００の要求出力が所定値を上回るエンジン１００の運転状況にあっては、波形の間引かれていない高周波により火花点火が実行される。   If it is determined in step S1 that the required output of the engine 100 exceeds a predetermined value, this determination is repeatedly performed until the required output becomes equal to or less than the predetermined value. During this time, the high frequency voltage generation circuit 25 applies the main high frequency to the primary side first winding 23b of the step-up transformer 23 and the sub high frequency to the primary side second winding 23c. Therefore, the secondary winding 23a of the step-up transformer 23 has a high frequency having a duty ratio of 0.25 but having two waveforms in one cycle, that is, having a waveform every ½ cycle. Therefore, in the operating state of engine 100 where the required output of engine 100 exceeds a predetermined value, spark ignition is executed at a high frequency that is not thinned out in the waveform.

これに対してステップＳ１においてエンジン１００の要求出力が所定値以下ある場合は、ステップＳ２において、高周波の波形の間引きを実施する。具体的には、高周波電圧発生装置２４が電子制御装置３０から制御信号を受信し、制御信号により高周波電圧発生回路２５が出力する副高周波の一次側第二巻線２３ｃへの印加を停止する。これにより、昇圧トランス２３には、主高周波のみが入力されるものとなる。したがって、高周波電圧発生装置２４から出力される高周波、つまり点火プラグ１に印加する高周波は、要求出力が所定値を上回っているエンジン１００の運転状態に比べて、副高周波の波形が間引かれたことになり、要求出力が所定値を上回っている場合の高周波と同一周波数、同一電圧で、デューティ比が０．２５である高周波となる。   On the other hand, if the required output of the engine 100 is equal to or less than the predetermined value in step S1, high frequency waveform thinning is performed in step S2. Specifically, the high-frequency voltage generator 24 receives a control signal from the electronic control unit 30 and stops applying the sub-high frequency to the primary side second winding 23c output from the high-frequency voltage generator 25 by the control signal. As a result, only the main high frequency is input to the step-up transformer 23. Therefore, the high-frequency output from the high-frequency voltage generator 24, that is, the high-frequency applied to the spark plug 1, has a sub-high-frequency waveform thinned out compared to the operating state of the engine 100 where the required output exceeds a predetermined value. In other words, the high frequency is the same frequency and voltage as the high frequency when the required output exceeds a predetermined value, and the duty ratio is 0.25.

このような構成において、火花点火に際して、電子制御装置３０から出力される点火信号が点火コイル２１のイグナイタに入力されると、点火コイル２１の二次側巻線２１ａから、点火プラグ１の中心電極１４に負極性の高電圧が印加されて、火花放電が始まる。火花放電が始まると、まず、容量放電による容量火花が生じ、その後に誘導放電による誘導火花が生じる。   In such a configuration, when an ignition signal output from the electronic control device 30 is input to the igniter of the ignition coil 21 during spark ignition, the secondary electrode 21a of the ignition coil 21 causes the center electrode of the ignition plug 1 to be ignited. A negative high voltage is applied to 14 to start spark discharge. When the spark discharge starts, a capacitive spark is first generated by the capacitive discharge, and then an induced spark is generated by the induction discharge.

誘導放電の開始とほぼ同時に、高周波電圧発生装置２４から高周波を中心電極１４に印加する。これによって、中心電極１４を包囲するように負極性の電界が生成される。生成された電界と、中心電極１４と接地電極１５との間に発生する火花放電による生成物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。   Almost simultaneously with the start of the induction discharge, a high frequency is applied to the center electrode 14 from the high frequency voltage generator 24. As a result, a negative electric field is generated so as to surround the center electrode 14. The generated electric field reacts with the product of the spark discharge generated between the center electrode 14 and the ground electrode 15 to generate plasma and ignite the mixture.

すなわち、点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル２１により火花放電を発生させると、その火花放電に伴って点火プラグ１の間隙１８間に負極性の脈流（電流）が流れることによって負極性の電界が発生し、火花放電（主として誘導放電）と負極性の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６内の混合気を急速に燃焼させる構成である。   That is, upon ignition, when a spark discharge is generated in the spark plug 1 by the ignition coil 21, a negative pulsating current (current) flows between the gaps 18 of the spark plug 1 along with the spark discharge. An electric field is generated, and a spark discharge (mainly inductive discharge) reacts with a negative electric field to generate plasma, thereby rapidly burning the air-fuel mixture in the combustion chamber 6.

具体的には、点火プラグ１による火花放電時に生成される生成物が負極性の電界と反応することによりプラズマになる。この結果、生成した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、所定空間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。   Specifically, the product generated during the spark discharge by the spark plug 1 reacts with a negative electric field to form plasma. As a result, by igniting the air-fuel mixture with the generated plasma, the flame nuclei at the beginning of flame propagation combustion become larger than ignition with only spark discharge, and a large amount of radicals are generated in the predetermined space. Combustion is promoted.

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生成物であるプラスイオンやラジカルが、負極性の電界の影響を受けて点火プラグ１の中心電極１４近傍から遠ざかりながら燃焼室６内全域に向かって振動、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。プラス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、プラス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。   This is because the positive ions and radicals, which are the product of the spark discharge and the products generated by the spark discharge, are affected by the negative electric field and away from the vicinity of the center electrode 14 of the spark plug 1. This is because the path length becomes longer due to vibration and meandering toward the surface, and the number of collisions with surrounding water molecules and nitrogen molecules increases dramatically. Water and nitrogen molecules that have been struck by positive ions and radicals become OH radicals and N radicals, and the surrounding gas that has been struck by positive ions and radicals is ionized, in other words, plasma. Thus, the region of ignition of the air-fuel mixture dramatically increases, and the flame kernel that starts the flame propagation combustion also increases.

このような火花点火にあって、エンジン１００の要求出力が所定値を上回っている運転状況から以下である運転状況に変更する場合に、点火プラグ１に印加する高周波の波形を間引くことにより、その時の運転状況に対応した高周波により高周波電界を生成して、プラズマが生成されるものとなる。つまり、プラズマを生成するのに要するエネルギを、電圧、周波数さらには点火プラグ１への入力時間を変更することなく、減らすことができる。したがって、エンジン１００の運転状況に対応してプラズマ生成のための高周波の変更の応答性がよくなり、燃焼効率を向上させることができる。しかも高周波をその発生装置本体２７側でオンオフするものではないので、その切り替えに伴うエネルギ損失より、エネルギ損失を小さくすることができる。   In such spark ignition, when changing from an operating situation in which the required output of the engine 100 exceeds a predetermined value to an operating situation that is the following, by thinning out the waveform of the high frequency applied to the spark plug 1, Plasma is generated by generating a high-frequency electric field with a high frequency corresponding to the operating conditions. That is, the energy required to generate plasma can be reduced without changing the voltage, frequency, and input time to the spark plug 1. Therefore, the responsiveness of changing the high frequency for plasma generation is improved corresponding to the operating state of engine 100, and the combustion efficiency can be improved. Moreover, since the high frequency is not turned on / off on the generator main body 27 side, the energy loss can be made smaller than the energy loss associated with the switching.

またこの実施形態の構成においては、負極性の電界を生成する際に、ダイオード２２を高周波の半波整流用に使用する必要がないので、高周波をバイアスした脈流高電圧をダイオード順方向電圧降下分だけ低くすることができ、負極性の電界生成に要するエネルギを低減することができる。加えて、ダイオード２２が発する熱が低くなるので、熱損失を低減することができる。   In the configuration of this embodiment, when the negative electric field is generated, it is not necessary to use the diode 22 for high-frequency half-wave rectification. Therefore, the high voltage biased pulsating high voltage is applied to the diode forward voltage drop. Therefore, the energy required for generating a negative electric field can be reduced. In addition, since heat generated by the diode 22 is reduced, heat loss can be reduced.

なお、ダイオード２２の接続位置は、上述した以外に、昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａとグランド４０との間であってもよい。すなわち図４に示すように、ダイオード１２２は、そのカソードを昇圧トランスの二次側巻線２３ａの他方端に接続し、そのカソードをグランド４０に接続する。このようにダイオード１２２を接続することによって、上記実施形態と同様に、火花放電のための高電圧に対して逆流防止ダイオードとして機能する。しかも、昇圧トランス２３の二次側巻線２３ａに脈流が流れる際にダイオード１２２にかかる電圧が低く、上記実施形態に比べてダイオード１２２における電力消費を小さくすることができる。   The connection position of the diode 22 may be between the secondary winding 23a of the step-up transformer 23 and the ground 40 in addition to the above. That is, as shown in FIG. 4, the diode 122 has its cathode connected to the other end of the secondary winding 23 a of the step-up transformer and its cathode connected to the ground 40. By connecting the diode 122 in this way, it functions as a backflow prevention diode for a high voltage for spark discharge, as in the above embodiment. Moreover, the voltage applied to the diode 122 when the pulsating current flows through the secondary winding 23a of the step-up transformer 23 is low, and the power consumption in the diode 122 can be reduced compared to the above embodiment.

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。   The present invention is not limited to the above embodiment.

上記実施形態にあっては、運転状況を判定するための単一の所定値を設定したが、複数の判定値を設定して、エンジン１００の要求出力が小さくなるほど波形の間引きを大きくするように構成するものであってもよい。この場合、昇圧トランス２３の一次側巻線を複数にして、それぞれの一次側巻線に位相の異なる交流を印加するように構成すればよい。   In the above embodiment, a single predetermined value for determining the driving situation is set, but a plurality of determination values are set so that the waveform thinning increases as the required output of the engine 100 decreases. It may be configured. In this case, a plurality of primary windings of the step-up transformer 23 may be provided, and alternating currents having different phases may be applied to the primary windings.

又、主高周波と副高周波とは、それぞれ別の高周波電圧発生回路から出力される構成であってもよい。   The main high frequency and the sub high frequency may be output from different high frequency voltage generation circuits.

加えて、波形の間引きは例えば、点火後、火炎核を形成する着火期間と、その後の火炎伝播期間とでその間引き量を異なる設定とするものであってもよい。この場合、着火期間における間引き量より、火炎伝播期間における間引き量を多くする設定とする。このような波形の間引き量の設定にすることにより、火炎伝播に対する障害、すなわち火花放電により生成されるプラスイオンなどと、負極性の高周波の電界との引き合いを緩和させることができる。   In addition, the thinning of the waveform may be, for example, a setting in which the thinning amount is set to be different between an ignition period in which a flame kernel is formed after ignition and a subsequent flame propagation period. In this case, the thinning amount in the flame propagation period is set to be larger than the thinning amount in the ignition period. By setting the thinning amount in such a waveform, it is possible to reduce an obstacle to flame propagation, that is, an inquiry between positive ions generated by spark discharge and a negative high-frequency electric field.

波形の間引きを実施するタイミングとしては、エンジン１００の要求出力の変化を判定した場合の、圧縮上死点とするものであってもよい。   The timing at which the waveform is thinned may be the compression top dead center when a change in the required output of the engine 100 is determined.

上記実施形態においては、高周波をバイアスした負極性の直流電圧を出力する高周波電圧発生装置を説明したが、火花点火のための高電圧が正極性である場合は、高周波電圧発生装置が出力する直流電圧は前記高電圧に対応させて正極性とする。この場合、バイアス回路は、正極性の直流電圧を出力する直流電源、又は上述した抵抗による分圧回路である。   In the above-described embodiment, the high-frequency voltage generator that outputs a negative DC voltage biased with a high frequency has been described. However, when the high voltage for spark ignition is positive, the direct-current output from the high-frequency voltage generator is described. The voltage is positive according to the high voltage. In this case, the bias circuit is a DC power source that outputs a positive DC voltage, or a voltage dividing circuit using the above-described resistor.

高周波電圧発生装置が出力する脈流の電圧波形は、特に限定されるものではなく、サイン波形、三角波形、方形波形及び鋸歯状波形の何れであってもよい。   The voltage waveform of the pulsating current output from the high-frequency voltage generator is not particularly limited, and may be any one of a sine waveform, a triangular waveform, a square waveform, and a sawtooth waveform.

また、エンジンの気筒数は、上述の実施形態に限定されるものではない。   Further, the number of cylinders of the engine is not limited to the above-described embodiment.

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。   In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の活用例として、ガソリンや圧縮天然ガス等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適用するものが挙げられる。   As an application example of the present invention, there is one that is applied to a spark ignition type internal combustion engine that uses gasoline, compressed natural gas, or the like as fuel and that requires spark discharge by an ignition plug for ignition.

１…点火プラグ
２０…点火装置
２１…点火コイル
２４…高周波電圧発生装置
２５…高周波発生回路
３０…電子制御装置
１００…エンジン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Spark plug 20 ... Ignition device 21 ... Ignition coil 24 ... High frequency voltage generation device 25 ... High frequency generation circuit 30 ... Electronic control unit 100 ... Engine

Claims (1)

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、高周波電圧発生手段に接続される中心電極を介して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であって、
前記高周波電圧発生手段が、一次側に複数の巻線を有する昇圧トランスを備えており、それら複数の一次側巻線にぞれぞれ位相の異なる高周波を印加するものとし、
火花点火式内燃機関の運転状況に応じて、前記複数の一次側巻線のうちの何れかへの高周波の印加を停止することにより、前記高周波電圧発生手段で印加する高周波の波形の間引きを実施する火花点火式内燃機関。 Plasma is generated by reacting the spark discharge generated by the high voltage applied through the ignition coil connected to the spark plug and the electric field generated in the combustion chamber through the center electrode connected to the high-frequency voltage generating means. A spark ignition internal combustion engine that ignites the air-fuel mixture,
The high-frequency voltage generating means includes a step-up transformer having a plurality of windings on the primary side, and applies high frequencies having different phases to the plurality of primary-side windings,
Depending on the operating condition of the spark ignition type internal combustion engine , the high frequency waveform applied by the high frequency voltage generating means is thinned out by stopping the application of the high frequency to any of the plurality of primary windings. A spark ignition internal combustion engine .
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