特許 6571706 内燃機関の点火装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6571706

(24)【登録日】2019年8月16日

(45)【発行日】2019年9月4日

(54)【発明の名称】内燃機関の点火装置

(51)【国際特許分類】

   F02P 3/05 20060101AFI20190826BHJP

   F02P 3/045 20060101ALI20190826BHJP

【ＦＩ】

   F02P3/05 E

   F02P3/045 301Z

   F02P3/05 C

【請求項の数】2

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-30069(P2017-30069)

(22)【出願日】2017年2月21日

(65)【公開番号】特開2018-135786(P2018-135786A)

(43)【公開日】2018年8月30日

【審査請求日】2018年6月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐山 勝悟

(72)【発明者】

【氏名】増田 糧

(72)【発明者】

【氏名】冬頭 孝之

(72)【発明者】

【氏名】木下 雅夫

(72)【発明者】

【氏名】野村 佳洋

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 明光

【審査官】 種子島 貴裕

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０２４０６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｐ ３／０５

Ｆ０２Ｐ ３／０４５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

点火プラグによって燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、
前記点火プラグによる混合気への放電電流ｉを放電の吹消えが生じない最少電流値である放電電流基準値ｉ_ｂｆよりも大きくなるように制御し、
前記放電電流基準値ｉ_ｂｆは、

【数1】

で表される数式により設定することを特徴とする内燃機関の点火装置。

【請求項2】

請求項１に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記数式（１）における定数ｋを０．００１７、定数ｎ_１を０．７１、定数ｎ_２を０．３３として、それぞれ±１０％の範囲内で調整することを特徴する内燃機関の点火装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関の点火装置に関する。

【背景技術】

【0002】

絶縁碍子によって絶縁保持された中心電極（点火電極）と接地電極とを備え、中心電極と接地電極の間に電圧を印加することによって火花を発生させる内燃機関の点火装置（点火プラグ）が知られている。

【0003】

火花放電開始から所定期間を判定期間として、判定期間内に二次電流が所定閾値を下回った場合に放電が停止する吹消が発生したと判定し、次のサイクルで主点火後に継続火花放電を実施する技術が開示されている（特許文献１）。このとき、二次電流を所定閾値に所定の電流値を加えた値とすることで、次サイクルにおいて吹消えを防止することができるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５−２００２８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、従来技術では、前サイクルで放電が吹消え電流値を求め、その値を次サイクルでの放電電流値として用いる。したがって、前サイクルでは電流制御なしの放電を行う必要がある。また、放電が吹消えるか否かを予測することができないので、意図しない放電吹消えが生じ易くなる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の１つの態様は、点火プラグによって燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、前記点火プラグによる混合気への放電電流ｉを放電の吹消えが生じない最少電流値である放電電流基準値ｉ_ｂｆよりも大きくなるように制御することを特徴とする内燃機関の点火装置である。

【0007】

ここで、前記放電電流基準値ｉ_ｂｆは、

【数1】

で表される数式により設定することが好適である。

【0008】

また、前記数式（１）における定数ｋを０．００１７、定数ｎ_１を０．７１、定数ｎ_２を０．３３として、それぞれ±１０％の範囲内で調整することが好適である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、前もって電流制御なしで放電を行うことなく、放電の吹消えを防止することができる放電電流を求めることができ、意図しない放電の吹消えを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】点火プラグにおける火炎の形成及び失火の様子を説明する図である。

【図2】混合気の流れがある場における放電路及び火炎の様子を説明する図である。

【図3】本発明の実施の形態における燃焼試験装置の構成を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態における燃焼試験方法を説明する図である。

【図5】放電路長さと電流との関係の例を示す図である。

【図6】放電路長さと電流との関係において放電の吹消えを防ぐ基準ラインの例を示す図である。

【図7】本発明の実施の形態における放電制御方法を示すフローチャートである。

【図8】本発明の実施の形態における放電制御を適用した場合の電流の時間変化を示す図である。

【図9】本発明の実施の形態における放電制御を適用した場合の放電路の長さの時間変化を示す図である。

【図10】時間と電流との関係において放電の吹消えを防ぐ基準ラインの例を示す図である。

【図11】電流値から電圧値を算出する方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

内燃機関において点火プラグ等の火花点火用の装置を用いて燃料と空気の混合気に点火する場合、混合気が空気やＥＧＲ（排気再循環）ガスで高希釈された条件下では燃焼速度が低下する。そのため、図１に示すように、放電により初期火炎が形成されても、その成長過程において火炎伸張の影響を受けて消炎することがある。したがって、高希釈条件下では初期火炎を形成できるエネルギを燃料に与えるだけでなく、初期火炎が成長過程で消炎しない分のエネルギを投入する必要がある。

【0012】

内燃機関の燃焼室内のように混合気の流れがある場では、放電による絶縁破壊後に放電路は気流に追従しながら伸張する。このとき、放電路は一様に伸び続けない。これは、図２に示すように、伸張中に放電が一旦吹消えて、電極間付近で再放電するからである。放電路が一律に伸張している間は同一体積にエネルギが投入される。しかし、放電が吹消えて再放電が起きると別体積を加熱することになる。放電が吹消えた時にその初期火炎が自律的に伝播できるだけのエネルギを受け取っていれば点火が成立するが、不足していればその火炎は下流で消炎して点火には寄与しない。すなわち、放電路の再放電が多発すると多くの初期火炎を生むが、それらは下流で消炎するため点火に繋がらない。このことから、放電路の吹消えを抑制し、放電路の伸張を促進することは高希釈条件下での点火特性を改善するといえる。

【0013】

流れがある場での放電過程では、電子や正イオンの拡散のため、放電維持に最低限必要な電流値ｉ_ｂｆが存在する。放電経路が長いほど電子及び正イオンは流れ場に長い期間さらされて拡散し、放電の維持が困難になる。よって、電流値ｉ_ｂｆは、放電路の長さｌ_ｓｐｋに比例すると考えられる。ここで、α及びｎは常数である。

【数2】

【0014】

この数式（２）が成立することを実験的に裏付けるために混合気の流れ場中の放電挙動の可視化と放電電流の計測を行った。

【0015】

図３は、試験装置の概要を示す。燃焼室１０、燃料供給部１２、点火プラグ１４、電力供給部１６、圧力センサ１８、電流センサ２０、電圧センサ２２及び制御部２４を含んで構成される。燃料供給部１２の燃焼室１２ａへ燃料が供給され、ピストン１２ｂによって燃料は空気と混合されて混合気として燃料供給管１２ｃを通って燃焼室１０へ供給される。燃料供給管１２ｃは、点火プラグ１４の中心電極と接地電極の間に横方向から混合気の流れができるように配置される。図３の例では、円筒状の燃焼室１０の壁面に沿って混合気の流れが形成され、点火プラグ１４の中心電極と接地電極の間に横方向から混合気が流れる構成としている。

【0016】

点火プラグ１４の中心電極には電力供給部１６から電圧が印加される。電力供給部１６は、コンデンサ及びコイルを含む昇圧回路を含んでおり、コイルに接続されたスイッチング素子をオン／オフさせることによって点火プラグ１４の中心電極に高電圧を印加することができる構成とされる。

【0017】

電流センサ２０は、点火プラグ１４に供給される電流の値を検出して制御部２４へ出力する。また、電圧センサ２２は、点火プラグ１４の中心電極と接地電極との間に印加される電圧を検出して制御部２４へ出力する。制御部２４は、試験装置に含まれる各構成要素を制御する。制御部２４は、点火プラグ１４に対して電力を供給する電源回路を含んでおり、点火プラグ１４の中心電極と接地電極との間に電圧を印加して燃焼室１０内において混合気の点火及び燃焼を起こす。また、制御部２４は、電流センサ２０及び電圧センサ２２からの検出値（電流値及び電圧値）を取得し、それらの検出値を出力する。

【0018】

また、本実施の形態における試験装置では、点火プラグ１４の近傍領域を観察できる構成としている。すなわち、試験装置にサファイアガラスからなるビューイングポートを設け、点火プラグ１４の近傍における混合気の燃焼の様子を観察できるような構成としている。具体的には、図３に示すように、燃焼の様子を静止画又は動画として撮影した画像を得ることができる。

【0019】

図４は、試験装置の燃焼室１０内での混合気の点火時及び燃焼時の観察画像並びに電流値及び電圧値の時間変化の例を示す。測定開始から約１０μｓの時刻から点火プラグ１４に電圧が印加され、約２５μｓの時刻において点火プラグ１４に印加された電圧値が急激に低下すると共に点火プラグ１４を流れる電流値が上昇する。すなわち、この時点で混合気に絶縁破壊が生じたことを示す。その後、約１１５μｓの時刻において再び電圧値が上昇すると共に電流値が低下する。すなわち、この時点で放電の吹消えが起きたことを示す。その後、約１２５μｓの時刻において、再度、電圧値が減少すると共に電流値が上昇する。すなわち、この時点で混合気に再度放電が生じたことを示す。このように、吹消えと再放電を交互に生じながら点火過程が進行する。

【0020】

本実施の形態では、燃焼室１０内の点火及び燃焼の様子を観察し、観察結果から放電吹消え発生時の電流ｉ_ｂｆとその時の放電路長さｌ_ｓｐｋを抽出した。放電路長さｌ_ｓｐｋには、放電部の先端から電極間中心までの距離ｌと電極間の距離ｄ_ｇからコの字型であるとしてその長さを放電路長さｌ_ｓｐｋとして近似計算した。

【0021】

図５は、測定結果から求められた電流ｉ_ｂｆと放電路長さｌ_ｓｐｋとの関係を示す。図５より、電流ｉ_ｂｆは、放電路長さｌ_ｓｐｋにより変化し、上記数式（２）の関係式が成立することが分かる。

【0022】

次に、数式（２）の定数α及びｎを決定するために、同様の試験を圧力、電極間流速、混合気組成をパラメータとして複数の条件で行った。試験条件範囲は、点火エネルギが２００ｍＪ、圧力が１０ｂａｒ以上１５ｂａｒ以下、電極間流速が５２ｍ／ｓ以上７８m/s以下、混合気組成比（空気／燃料比）が１５倍以上２６倍以下、ＥＧＲ率が０以上３１％以下とした。

【0023】

その結果、定数αは電極間流速Ｕに依存することが分かった。そこで、数式（２）を書き替えて数式（３）とした。ここで、ｋ、ｎ_１，ｎ_２は常数である。

【数3】

【0024】

試験結果を数式（３）を用いてフィッティングした結果、ｋ＝０．００１７［Ａ］、ｎ_１＝０．７１、ｎ_２＝０．３３とすることが好適であることが分かった。なお、定数ｋ，ｎ１，ｎ２の最適値は点火プラグ１４の形状等によって多少は変化し、それぞれ前記値の±１０％程度で調整することが好適である。

【0025】

したがって、図６に示すように、数式（３）に定数ｋ＝０．００１７［Ａ］、ｎ_１＝０．７１、ｎ_２＝０．３３を当て嵌めて得られる放電電流値ｉが基準値ｉ_ｂｆ以下にならないように制御することにより放電の吹消えを防ぐことができる。

【0026】

制御は、以下の手順にて行うことが好適である。（１）電圧値及び電流値から現在の放電路の長さを求める。（２）数式（３）から放電電流基準値ｉ_ｂｆを求める。（３）現在の電流値ｉと放電電流基準値ｉ_ｂｆとを比較し、放電電流ｉが不足していれば増加させる制御を行う。

【0027】

具体的には、図７のフローチャートに沿って制御を行えばよい。本例では、点火プラグ１４に独立したタイミングで放電電圧を印加できるような点火回路を備える構成とする。例えば、点火回路に含まれるコイルを並列に２つ設けて、各コイルから点火プラグ１４へ独立したタイミングで放電電圧が印加できるような構成とすればよい。

【0028】

ステップＳ１０では、現在の内燃機関の回転数Ｎｅ、スロットルの開度ＴＨ及び点火タイミングＩＧＴに応じて電極間流速Ｕ［ｍ／ｓ］及び燃焼室内の圧力ｐ［ｂａｒ］を求める。電極間流速Ｕ［ｍ／ｓ］及び燃焼室内の圧力ｐ［ｂａｒ］は、内燃機関の機種毎に内燃機関の回転数Ｎｅ、スロットルの開度ＴＨ及び点火タイミングＩＧＴの組み合わせ毎の電極間流速Ｕ［ｍ／ｓ］及び燃焼室内の圧力ｐ［ｂａｒ］を示すマップを予め求めておき、そのマップを参照することにより決定することができる。

【0029】

ステップＳ１２では、点火タイミングＩＧＴに合わせて第１のコイルをスイッチングして点火プラグ１４から放電を開始する。

【0030】

ステップＳ１４では、点火回路の二次側の電流値ｉ（ｔ）及び電圧値Ｖ（ｔ）を計測する。

【0031】

ステップＳ１６では、計測された電流値ｉ（ｔ）及び電圧値Ｖ（ｔ）に応じた放電路の長さｌ_ｓｐｋを算出する。放電路の長さｌ_ｓｐｋは、数式（４）に基づいて求めることができる。数式（４）は、図３に示した試験装置を用いた試験から導いたものである。ここで、Ｒ_ｐｌｕｇは点火プラグ１４の内部抵抗値である。

【数4】

【0032】

ステップＳ１８では、ステップＳ１６で求めた放電路の長さｌ_ｓｐｋ、電極間流速Ｕを数式（３）に代入して放電電流基準値ｉ_ｂｆを算出する。定数は、例えば、ｋ＝０．００１７［Ａ］、ｎ_１＝０．７１、ｎ_２＝０．３３とする。

【0033】

ステップＳ２０では、現在の電流値ｉ（ｔ）と放電電流基準値ｉ_ｂｆとを比較し、放電電流ｉ（ｔ）から放電電流基準値ｉ_ｂｆを引いた値が判定値βより大きければ時間ｔを時間ｔ＋δｔに増加させてステップＳ１４に処理を戻し、小さければステップＳ２２に処理を移す。判定値βは、放電電流基準値ｉ_ｂｆに対する放電電流ｉ（ｔ）の余裕の必要性に応じて設定することが好適である。すなわち、判定値βは、余裕度（安全マージン）であり、０以上の値することが好適である。判定値βは、例えば、１０ｍＡ以上３０ｍＡ以下程度に設定することが好適である。

【0034】

ステップＳ２２では、放電電流ｉ（ｔ）の不足分を補うために第２のコイルをスイッチングして点火プラグ１４からの放電電流ｉ（ｔ）を増加させる。

【0035】

図８及び図９は、当該制御を適用したときの放電電流ｉ（ｔ）及び放電路の長さｌ_ｓｐｋの時間変化をそれぞれ示す。図８及び図９の実線は本例の制御を適用した場合を示し、破線は本例の制御を適用しなかった場合を示す。本例の制御を適用した場合、放電電流ｉ（ｔ）は放電電流基準値ｉ_ｂｆより常に大きい値を維持し、放電の吹消えが防がれる。また、放電路の長さｌ_ｓｐｋは時間と共に増加し続ける。

【0036】

以上のように、本実施の形態の制御方法によれば、前もって電流制御なしで放電を行うことなく、放電の吹消えを防止することができる。したがって、意図しない放電の吹消えを防ぐことができる。

【0037】

なお、本実施の形態では、第１のコイル及び第２のコイルの２つのコイルを用いて点火プラグ１４で放電を行う態様としたが、さらにコイルの数を増加させてもよい。すなわち、時間ｔの増加に伴ってコイルの数だけステップＳ１４〜Ｓ２２を繰り返せばよい。

【0038】

［変形例］
上記実施の形態では、放電電流基準値ｉ_ｂｆを数式（３）に基づいて算出するものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、数式（５）に示すように、放電電流基準値ｉ_ｂｆを時間ｔに比例する関数として設定してもよい。ここで、ａは比例係数及びｂは切片であり、内燃機関の構成に応じて予め定められる。

【数5】

【0039】

また、数式（４）の代わりに、数式（６）に置き換えても本発明の効果を得ることができる。数式（６）は、キム・アンダーソン（Ｋｉｍ＆Ａｎｄｅｒｓｏｎ）の式と呼ばれる（Kim J. & Anderson R.W. (1995) Spark anemometry of bulk gas velocity at the plug gap of a firing engine (No. 952459). SAE Technical Paper）。この場合、上記ステップＳ１６において、数式（４）の代わりに数式（６）を適用すればよい。

【数6】

【0040】

また、上記実施の形態では、電極間流速Ｕを実測値としたが、放電路の長さｌ_ｓｐｋに基づいて電極間流速Ｕを算出するようにしてもよい。具体的には、数式（７）を用いて、放電路の長さｌ_ｓｐｋの時間ｔに対する変化に基づいて電極間流速Ｕを算出してもよい。

【数7】

【0041】

この場合、ステップＳ１０では燃焼室の圧力ｐのみを決定し、ステップＳ１６において放電路の長さｌ_ｓｐｋを算出すると共に数式（７）を用いて電極間流速Ｕを算出すればよい。

【0042】

また、本実施の形態では、電流値ｉ（ｔ）及び電圧値Ｖ（ｔ）を計測する態様としたが、電流値ｉ（ｔ）の計測のみを行い、その電流値ｉ（ｔ）に基づいて電圧値Ｖ（ｔ）を算出してもよい。

【0043】

電流値ｉ（ｔ）は、電磁気学の関係式から数式（８）で表される。ここで、Ｅ（ｔ）は残存点火エネルギ、Ｌ_ｓはコイルのインダクタンスである。

【数8】

【0044】

数式（８）を微分すると数式（９）が得られる。

【数9】

【0045】

ここで、数式（１０）及び数式（１１）の関係が成り立つので、数式（９）は数式（１２）に書き替えることができる。ここで、Ｅ_０は総点火エネルギである。

【数10】

【数11】

【数12】

【0046】

数式（１２）を電圧値Ｖ（ｔ）について整理すると数式（１３）となる。この数式（１３）を用いれば、電流値ｉ（ｔ）から電圧値Ｖ（ｔ）を算出することができる。

【数13】

【0047】

具体的には、図１１に示す計算方法のフローチャートに沿って電圧値Ｖ（ｔ）を算出することができる。

【0048】

ステップＳ３０では、電流値ｉ（ｔ）から電流値ｉ（ｔ）の時間微分値ｄｉ（ｔ）／ｄｔを算出する。ステップＳ３２では、時間ｔが初期値０であるか否かを判定する。時間ステップｔが０であればステップＳ３４に処理を移行させ、０以外であればステップＳ３８に処理を移行させる。なお、時間ステップｔ＝０は、絶縁破壊の開始時刻から任意の時間だけずらした時刻に設定することが好適である。

【0049】

ステップＳ３４では、数式（１３）に時間ｔ＝０を代入した数式（１４）にて電圧値Ｖ（ｔ）の初期値である電圧値Ｖ（０）を算出する。

【数14】

【0050】

ステップＳ３６では、数式（１５）によって時間ｔ＝０におけるＱ_ｔｏｔ（０）を算出する。

【数15】

【0051】

一方、ステップＳ３２においてステップＳ３８に移行した場合、前の時間ステップ（ｔ−δｔ）におけるＱ_ｔｏｔ（ｔ−δｔ）を数式（１３）に代入した数式（１６）に基づいて電圧値Ｖ（ｔ）を算出する。そして、ステップＳ４０では、現在の時間ステップｔにおけるＱ_ｔｏｔ（ｔ）を算出する。

【数16】

【0052】

ステップＳ４２では、Ｑ_ｔｏｔ（ｔ）が総点火エネルギＥ_０に等しくなったか否かが判定される。Ｑ_ｔｏｔ（ｔ）が総点火エネルギＥ_０に等しくなった場合には算出処理を終了し、その時点で算出された電圧値Ｖ（ｔ）を用いて制御を行う。Ｑ_ｔｏｔ（ｔ）が総点火エネルギＥ_０に等しくない場合には、δｔだけ時間ステップｔを増加させてステップＳ３２に処理を戻す。

【0053】

以上のように、本発明によれば、前もって電流制御なしで放電を行うことなく、放電の吹消えを防止することができる。これによって、内燃機関の点火装置において意図しない放電の吹消えを防ぐことができる。

【符号の説明】

【0054】

１０ 燃焼室、１２ 燃料供給部、１２ａ 燃焼室、１２ｂ ピストン、１２ｃ 燃料供給管、１４ 点火プラグ、１６ 電力供給部、１８ 圧力センサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】