内燃機関用点火装置
【課題】中心電極と接地電極との間に高電圧を印加したときに発生する放電アークに筒内に発生する気流を作用させ、放電アークを引き延ばして燃焼の安定化を図る内燃機関において、放電アークの引き延ばし効果の確率的な変動を抑制し、安定した燃焼を実現する。
【解決手段】放電アーク１３が実際に引き延ばされているか否かを判断する放電アーク引き延ばし判定手段として、放電電圧ＶＩＧから所定時間（０．０５ｍｓ）の間の電圧変動率ΔＶ（ｋＶ／ｍｓ）を算出し、所定の閾値ＶＲＥＦとの比較によって放電アーク１３が引き伸ばされていないと判断したときには、放電アーク１３に磁界を作用させて筒内気流ＴＭＢによる放電アーク１３の引き延ばしを補助すべく磁場を発生させる磁場発生手段ＭＧ１、ＭＧ２を具備する。
【解決手段】放電アーク１３が実際に引き延ばされているか否かを判断する放電アーク引き延ばし判定手段として、放電電圧ＶＩＧから所定時間（０．０５ｍｓ）の間の電圧変動率ΔＶ（ｋＶ／ｍｓ）を算出し、所定の閾値ＶＲＥＦとの比較によって放電アーク１３が引き伸ばされていないと判断したときには、放電アーク１３に磁界を作用させて筒内気流ＴＭＢによる放電アーク１３の引き延ばしを補助すべく磁場を発生させる磁場発生手段ＭＧ１、ＭＧ２を具備する。
【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し、特に、極希薄な混合気の着火性向上に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、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たときに発生する放電アークに燃焼室内の発生する混合気の流れを作用させて、放電アークを引き伸ばして希薄な混合気の着火性を向上させた点火装置について種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、内燃機関に装着され、中心電極と、前記中心電極との間で放電火花を形成する接地電極を有し前記中心電極の外周に配置された円環状のハウジングと、前記中心電極と前記ハウジングとの間に設けられ前記中心電極と前記ハウジングとの電気的絶縁をなす絶縁碍子と、を備えた内燃機関用スパークプラグにおいて、前記ハウジングの端面部の外径面に、前記内燃機関の燃焼室内の混合気のタンブル渦気流を前記燃焼室の内部中央部方向へ制御する整流手段を設けたことを特徴とする内燃機関用スパークプラグが開示されている。
【０００４】
特許文献１にあるように、燃焼室内のタンブル渦気流等の燃焼内に発生する混合気の流れを整流して点火プラグの中心電極と接地電極との間の特定の位置に誘導することによって、中心電極と接地電極との間に高電圧を印加したときに発生する放電アークにタンブル渦気流を作用させて長く引き伸ばすことによって、高過給気エンジン、希薄燃焼機関等の難着火性の内燃機関において着火性の向上を図ることができると期待されている。
【０００５】
また、特許文献２にあるように、筒内噴射式内燃機関において、点火プラグの放電ギャップの中心位置から燃料噴射弁の噴孔の中心位置までの距離と、点火プラグの放電ギャップの中心位置から燃料噴射弁から噴射された燃料噴流の中心軸までの距離とを特定の範囲に設定することにより、燃料噴射弁から噴射された燃料噴流によりその周囲の空気が持ち去られたときに発生する燃料噴流の噴射方向とは略逆向きの引込み気流を点火プラグの放電ギャップ近傍に作用せしめることによって、放電アークを混合気の可燃領域に引き伸ばして着火性の向上を図ることができると期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、点火プラグを内燃機関のエンジンヘッドに組み付ける際に、点火プラグ自体の個体差や、締め付けトルクのバラツキ、エンジンヘッド側に形成されたネジ山の開始位置のバラツキ等によって点火プラグのハウジング先端で略Ｌ字形に延びる接地電極の方向は必ずしも一定方向とはならない。
また、内燃機関の運転状況によって、燃焼室内に発生する混合気の気流の強さ及び流れ方向も必ずしも一定ではない。
このため、特許文献１や特許文献２にあるように点火プラグの先端部にタンブル渦流や燃料噴射の引込流等の筒内に発生する気流を作用させたときに放電アークが引き伸ばされるか否かは確率的事象となり、期待通り放電アークが引き伸ばされない虞があることが判明した。
【０００７】
図１１は、本図（ａ）に示すように、エンジンを模した燃焼試験器を用い、点火プラグ１０の中心電極１１に対して、接地電極１２の軸部が上流側となるように筒内気流ＴＭＢが流れている状況で、エンジン回転数：２０００ｒｐｍ、点火プラグ１０への印加エネルギ：１５０ｍＪ、空燃比Ａ／Ｆ＝２５．３の条件で５００サイクルの燃焼試験を行い、燃焼室内の気流ＴＭＢを点火プラグ１０の中心電極１１と接地電極１２との間に作用させたときの図示平均有効圧Ｐｍｉと放電電圧の計測又は監視モニタカメラによる放電アークの観察により調査した結果である。
本図（ｂ）に示すように、５００サイクル中約８２％に当たる４１４サイクルで放電アークの引き延ばしが行われ、本図（ｃ）に示すように、５００サイクル中約１８％に当たる８６サイクルで放電アークの引き延ばしが行われなかった。また、放電アークの引き延ばしが行われなかった場合には、目標とする図示平均有効圧に到達せず、燃焼サイクルによって燃焼が悪化する虞がある。
【０００８】
したがって、例えば、燃焼室内に略Ｌ字形に延びる接地電極１２の軸部分が中心電極１１に対して筒内気流ＴＭＢの上流側となった場合には、中心電極１１と接地電極１２との間に流入する気流の流速が接地電極１２の軸部への衝突により減速され、中心電極１１と接地電極１２との間に発生した放電アークが十分引き伸ばされず、着火性向上の効果を発揮できない虞があり、タンブル渦流や、燃料噴射によって発生する引込流などの燃焼室内に発生した気流によって、放電アークが十分引き伸ばされるか否かが、確率的事象となり、着火の安定性を損なう虞がある。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、所定の放電距離を隔てて対向する中心電極と接地電極との間に高電圧を印加したときに発生する放電アークに筒内に発生する気流を作用させ、放電アークを引き延ばして燃焼の安定化を図る内燃機関において、放電アークの引き延ばし効果の確率的な変動を抑制し、常に安定した燃焼を実現する信頼性の高い内燃機関の点火装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明では、内燃機関に設けた点火プラグに高電圧を印加して絶縁体を介して対向する中心電極と接地電極との間に発生させた放電アークに内燃機関の燃焼室内に発生する気流を作用させて、上記放電アークを引き伸ばして燃焼室内に導入された混合気の点火を行う内燃機関用の点火装置であって、上記放電アークが実際に引き延ばされているか否かを判断する放電アーク引き延ばし判定手段と、該判定手段によって上記放電アークが引き伸ばされていないと判断したときには、上記放電アークに磁界を作用させて上記筒内気流による放電アークの引き延ばしを補助すべく磁場を発生させる磁場発生手段とを具備する。
【００１１】
請求項２の発明では、上記放電アーク引き延ばし判定手段が、上記点火プラグの放電電圧を検出する放電電圧検出手段と、該放電電圧の微少時間に対する電圧増加率を算出する電圧増加率算出手段と、放電開始から所定時間における上記電圧増加率と所定の閾値との比較により上記電圧増加率が上記閾値以上のときには上記放電アークが引き伸ばされていると判断する閾値判定手段とからなる。
【００１２】
請求項３の発明では、上記磁場発生手段が通電により発生する磁界の方向が違いに直交する２つの磁場発生手段からなり、上記放電アーク引き延ばし判定手段によって上記放電アークが引き伸ばされていないと判定されたときには、上記２つの磁場発生手段のいずれか一方、又は、両方への通電を行う。
【発明の効果】
【００１３】
上記筒内気流を中心電極と接地電極との間に発生した放電アークに作用させ、放電アークを引き伸ばすことによって着火性の向上を図ることができることが知られているが、筒内気流による放電アーク引き延ばしは、機関の運転状況や、上記点火プラグが上記燃焼室に組み付けられた状態によって変化する確率的事象であり、必ずしも安定的に筒内気流によって放電アークが引き伸ばされるとは限らない。
しかし、請求項１の発明によれば、上記放電アーク引き伸ばし判定手段によって、放電アークが引き伸ばされていないと判断した場合には、上記磁場発生手段への通電を行い上記放電アークに磁界によるローレンツ力を作用させ、上記放電アークを湾曲させることによって、上記筒内気流によって確実に放電アークを引き伸ばすことができ、安定した着火を実現できる。
また、上記放電アーク引き延ばし判定手段によって、放電アークが引き伸ばされていると判断した場合には、上記磁場発生手段への通電は行われず、無駄なエネルギの消耗を抑制することができる。
【００１４】
本願発明者等の鋭意試験により、筒内気流によって放電アークが引き伸ばされているときには、放電開始から所定時間における放電電圧が大きく変動し、筒内気流によって放電アークが引き伸ばされていないときには、放電開始から所定時間における放電電圧の変動が小さいことが判明した。
かかる知見に基づき、請求項２の発明にあるように、所定時間に対する放電電圧の電圧増加率を閾値判定することによって、容易に放電アークが引き伸ばされているか否かを判定することができるとの新たな知見を得たものである。
【００１５】
また、請求項３の発明によれば、磁場の発生方向を選択に変えることによって、エネルギロスをより少なく、かつ、より確実に放電アークの引き延ばしを行い極めて安定した着火を実現可能な内燃機関用点火装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態における内燃機関用点火装置の概要を示し、（ａ）は、燃焼室内側からエンジンヘッド側を望む平面図、（ｂ）は、本図（ａ）中Ａ−Ａに沿った矢視断面図。
【図２】図１に示した内燃機関用点火装置の第１の作用効果を（ａ）から（ｃ）の順を追って示す斜視図。
【図３】本発明の第１の効果を示し、（ａ）は、放電電圧の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、電圧増加率の経時変化を示す特性図。
【図４】図１に示した内燃機関用点火装置の第２の作用効果を（ａ）から（ｃ）の順を追って示す斜視図。
【図５】本発明の第２の効果を示し、（ａ）は、放電電圧の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、電圧増加率の経時変化を示す特性図。
【図６】本発明に用いられる磁場発生手段の制御方法の一例を示すフローチャート。
【図７】点火プラグが任意の方向に配設されたときの本発明の効果を示す模式図。
【図８】放電アークが筒内気流によって引き延ばされていない状態において、（ａ）は、放電電圧の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、電圧増加率の経時変化を示す特性図。
【図９】放電アークが筒内気流によって引き延ばされた状態において、（ａ）は、放電電圧の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、電圧増加率の経時変化を示す特性図。
【図１０】本発明の点火装置において磁界発生手段を駆動するか否かを決定するための閾値の選定方法を示し、（ａ）は、放電アークの引き延ばされていない状態における電圧増加率の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、放電アークの引き延ばされている状態における電圧増加率の経時変化を示す特性図。
【図１１】従来の筒内気流を放電アークの引き延ばしに利用した点火装置の問題点を示し、（ａ）は、図示平均有効圧の計測条件を示す要部断面図、（ｂ）は、放電アークが引き伸ばされたときの特性図、（ｃ）は、は、放電アークが引き伸ばされていないときの特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１を参照して、本発明の実施形態における内燃機関用点火装置１の概要について説明する。
図１（ａ）は、本実施形態における点火装置１の適用された内燃機関（以下、Ｅ／Ｇと略す。）５の燃焼室側からエンジンヘッド側を望む平面図、（ｂ）は、本図（ａ）中Ａ−Ａに沿った矢視断面図である。
【００１８】
本図に示すように、Ｅ／Ｇ５は、エンジンヘッド５０と略筒状のシリンダ５４とシリンダ５２内に可動に収納されたピストン５３とによって構成され、エンジンヘッド５０の内壁とシリンダ５４の内周壁とピストン５３の頂面とによって燃焼室５００が区画されている。
エンジンヘッド５０には吸気バルブ５１１によって開閉される吸気筒５１０と、排気バルブ５２１によって開閉される排気筒５２０とが形成されている。
エンジンヘッド５０には、燃焼室５００内に高圧燃料ＦＬを噴霧する燃料噴射弁（ＩＮＪ）と、高電圧の印加により放電アークを発生され燃焼室内に導入された混合気の点火を行う点火プラグ１０と、本発明の要部である放電アーク引き延ばし判定手段及び放電電圧検出手段を内蔵するエンジン制御装置（ＥＣＵ）３０と、磁場発生手段として第１の磁場発生手段ＭＧ１と第２の磁場発生手段ＭＧ２とが設けられている。
第１の磁場発生手段ＭＧ１と第２の磁場発生手段ＭＧ２とのいずれか一方、又は、両方への通電によって、点火プラグ１０の中心電極１１と接地電極１２との間に発生する放電アーク１３にローレンツ力ＦＬＮＺ１、ＦＬＮＺ２を選択的に作用させ、所望の方向へ湾曲させることができる。
【００１９】
第１の磁場発生手段ＭＧ１と第２の磁場発生手段ＭＧ２とは、発生する磁界ＭＧＦ１、ＭＧＦ２の方向が点火プラグ１０の中心軸を通り、互いに直交する方向となる位置に設けられており、点火プラグ１０の中心電極１１と接地電極１２との間に高電圧を印加したときに発生する放電アーク１３に対して互いに直交する方向のローレンツ力ＦＬＮＺ１、ＦＬＮＺ２を発生させることができる。
【００２０】
点火制御手段（ＩＧＣ）２０は、少なくともＩＧＢＴ、サイリスタ等の開閉素子とＤＣ−ＤＣコンバータや昇圧コイル等の電源電圧を高電圧に昇圧する昇圧回路とを含む公知の点火制御手段であって、Ｅ／Ｇ５の運転状況に応じてＥＣＵ３０から発信された点火信号ＩＧｔにしたがって、点火プラグ１０の中心電極１１と接地電極１２との間に高電圧を印加し、放電アーク１３を発生させる。ＩＧＣ２０は、いわゆる誘導放電型（ＴＣＩ）の点火制御手段と容量放電型（ＣＤＩ）の点火制御手段とのいずれでも良い。
また、ＩＧＣ２０は図略の電圧検出手段を具備し、点火プラグ１０に印加した放電電圧ＶＩＧの経時変化をモニタし、ＥＣＵ３０へ伝達する。
【００２１】
また、電圧増加率算出手段として、ＥＣＵ３０では、放電電圧ＶＩＧから、例えば０．０５ｍｓ毎の微少時間における電圧増加率ΔＶを算出する。
なお、電圧増加率ΔＶは、（数１）に示すように、０．０５ｍｓ間の放電電圧ＶＩＧの変化量（ｋＶ）を０．０５ｍｓで割った値の絶対値とした。
【数１】
【００２２】
磁場発生制御手段（ＭＧＣ）４０では、後述する磁場制御方法にしたがって、電圧増加率ΔＶを閾値判定する閾値判定手段を具備し、第１の磁場発生手段ＭＧ１、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電の要否を判定し、ＩＧＣ２０の検出した放電電圧ＶＩＧに応じて、第１の磁場発生手段（ＭＧ１）、又は／及び、第２の磁場発生手段（ＭＧ２）に通電を行い中心電極１１と接地電極１２との間に発生した放電アーク１３に対して、第１の磁界ＭＧＦ１又は／及び、第２の磁界ＭＧＦ２を作用させ、それぞれの磁界ＭＧＦ１、ＭＧＦ２に対して直交する方向の第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１／又は／及び、第２のローレンツ力ＦＬＮＺ２を発生させる。
【００２３】
ここで、図２、図３を参照して、第１の磁場発生手段ＭＧ１により第１の磁界ＭＧＦ１を発生させたときの効果について説明する。
例えば、燃焼室内に向かって略Ｌ字形に延びる接地電極１２の脚部１２０が、筒内に流れる気流ＴＭＢに対して上流側となる方向で点火プラグ１０がシリンダヘッド５０に組み付けられている場合、図２（ａ）に示すように、中心電極１１の先端と接地電極１２の放電部１２１との間に放電アーク１３が発生したときに、接地電極１２の脚部１２０が障壁となり、放電アーク１３は、筒内気流ＴＭＢに晒されることなく引き伸ばされない。
成層燃焼機関や高過給燃焼機関等の難着火性の機関においては、このままでは失火に至る虞がある。
そこで、このように、筒内気流によって放電アーク１３が引き伸ばされない場合には、第１の磁場発生手段ＭＧ１を駆動し、第１の磁界ＭＧＦ１を放電アーク１３に作用させる。すると、本図（ｂ）に示すように、第１の磁界ＭＧＦ１に直交する方向の第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１によって放電アーク１３がローレンツ力ＦＬＮＺ１の作用する方向に引き伸ばされることになる。
すると、放電アーク１３は、接地電極１２の脚部１２０の影からはみ出し、筒内気流ＴＭＢに晒されることになり、本図（ｃ）に示すように筒内気流ＴＭＢによって、長く引き伸ばされることになり、難着火性機関の点火が可能となる。
【００２４】
このときに電圧検出手段によって検出された放電電圧ＶＩＧの変化、及び、電圧増加率ΔＶの経時変化を図３に示す。
図３（ａ）に示すように、放電開始から、一定期間ｔ１の間放電アーク１３が引き伸ばされず、本図（ｂ）に示すように、電圧増加率ΔＶが所定の閾値ＶＲＥＦ（例えば、２ｋＶ／ｍｓ）より低い場合には、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電を行う。
このとき、第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１が放電アーク１３作用し、筒内気流ＴＭＢによって放電アーク１３が引き伸ばされると、本図(ａ)に示すように、放電電圧ＶＩＧが大きく変化する。
なお、点火プラグ１０において、中心電極１１と接地電極１２との間に放電アーク１３が発生し、筒内気流ＴＭＢによって放電アーク１３が引き伸ばされ放電電圧ＶＩＧに変化を生じはじめるのは、放電開始から、０．２ｍｓ程度の時間が経過したときであり、また、放電アーク１３が維持されるのは、２ｍｓ程度の期間である。
【００２５】
さらに、本実施形態において、点火プラグ１０は、図略の絶縁体を介して対向する中心電極１１と接地電極１２との間に高電圧を印加したときに放電アーク１３を発生する、いわゆるスパークプラグを示したが、中心電極１１、及び、接地電極１２の材質、形状等を特に限定するものではなく、公知の点火プラグを適宜採用し得るものである。
また、本実施形態においては、中心電極１１側が正極とし、接地電極１２側を負極として、放電アーク１３は、中心電極１１から接地電極１２に向かう電流とみなして第１、第２のローレンツ力ＦＬＮＺ１、ＦＬＮＺ２の方向を図示しているが、中心電極１１及び接地電極１２の極性を逆にすれば、作用するローレンツ力ＦＬＮＺ１、ＦＬＭＮＺ２の方向も逆向きになる。
【００２６】
次いで、図４、図５を参照して、第２の磁場発生手段ＭＧ２により第２の磁界ＭＧＦ２を発生させたときの効果について説明する。
例えば、本図（ａ）に示すように、接地電極１の脚部１２０が、筒内気流ＴＭＢの下流側となるように点火プラグ１０が組み付けられた場合、接地電極１２の脚部１２０によって放電アーク１３の引き延ばしが遮られ、さらに、本図（ｂ）に示すように、上述のように第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電により、磁界ＭＧＦ１が放電アーク１３に作用しても、なお、放電アーク１３の引き延ばしに至らない場合に、本図（ｃ）に示すように、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電が行われ、第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１に加え第２のローレンツ力ＦＬＮＺ２が放電アーク１３に作用し、放電アーク１３の湾曲方向を変化させ、筒内気流ＴＭＢによって放電アーク１３が大きく引き伸ばされるようになる。
このときの放電電圧ＶＩＧ（ｋＶ）及び電圧変化率ΔＶ（ｋＶ／ｍｓ）を図５に示す。
【００２７】
図５（ａ）に示すように、本実施例においては、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電により、第１の磁界ＭＧＦ１を放電アーク１３に作用させてもなお、本図（ｂ）に示すように、所定の時間ｔ２において、電圧増加率ΔＶが所定の閾値ＶＲＥＦ（例えば、２ｋＶ／ｍｓ）より低いため、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電を行い、第２の磁界ＭＧＦ２を放電アーク１３に作用させる。
すると筒内気流ＴＭＢによって放電アーク１３が引き伸ばされるようになり、本図(ａ)に示すように、放電電圧ＶＩＧが大きく変化する。
なお、 一旦、筒内気流ＴＭＢにより放電アークが引き伸ばされれば、第１の磁場発生手段ＭＧ１、及び/又は、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電を終了しても良い。
【００２８】
図６を参照して、本発明における磁場発生手段の制御方法の一例を説明する。
ＥＣＵ３０から点火信号ＩＧｔの発振がなされると、それをトリガとして、磁場発生手段の制御フローが開始される。
ステップＳ１００の第１の判定要否判定行程では、放電開始から第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電の要否を判定する第１の判定時期か否かが判定される。
放電開始から一定時間ｔ１となるまでは放電電圧ＶＩＧの変化が少なく、ステップＳ１００のループを繰り返しｔ１の経過まで待機される。
所定の時間ｔ１となるとステップＳ１００の判定がＹｅｓとなり、ステップＳ１１０の第１の磁場発生要否判定行程に進む。Ｓ１１０の第１の磁場発生要否判定行程では、電圧増加率ΔＶと所定の閾値ＶＲＥＦとの比較による第１の閾値判定が行われる。このとき、ΔＶ＜ＶＲＥＦなら判定Ｙｅｓとなり、ステップＳ１２０の第１の磁場発生行程へ進む。
ステップＳ１２０の第１の磁場発生行程では、放電アーク１３に第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１を作用させるべく第１の磁場発生手段への通電が開始される（ＭＧ１ ＯＮ）。
ステップＳ１１０において、電圧増加率が所定の閾値以上、即ち、ΔＶ≧ＶＲＥＦなら判定Ｎｏとなり、磁場発生手段への通電は不要と判断され、ステップＳ１６０の終了行程に進み、第１の磁場発生手段ＭＧ１、第２の磁場発生手段ＭＧ２共に通電は行われない。
即ち、磁場による補助がなくても筒内気流ＴＭＢにより、放電アーク１３が引き延ばされる場合には、磁場発生手段ＭＧ１、ＭＧ２への通電を行わず、エネルギを制限することができる。
次いで、ステップＳ１３０の第２の判定要否判定行程では、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電の要否を判定する第１の判定時期か否かが判定される。
ステップＳ１３０において、所定の時間ｔ２を経過するまでは、判定Ｎｏとなり、第２の判定が行われることがなく、ステップＳ１００〜Ｓ１３０のループが繰り返される。ステップＳ１３０において所定時間ｔ２が経過すると判定Ｙｅｓとなり、ステップＳ１４０の第２の磁場発生要否判定行程に進む。
ステップＳ１４０の第２の磁場発生要否判定行程では、電圧増加率ΔＶと所定の閾値ＶＲＥＦとの比較による第２の閾値判定が行われる。このとき、ΔＶ＜ＶＲＥＦなら判定Ｙｅｓとなり、ステップＳ１５０の第２の磁場発生行程へ進む。
即ち、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電により、電圧増加率が所定の閾値ＶＲＥＦ以上となったら第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電が不要であるので、判定Ｎｏとなり、ステップＳ１６０の終了行程に進む。
ステップＳ１５０の第２の磁場発生行程では、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電がなされ、ステップ１４０で判定Ｎｏとなるまで、ステップＳ１４０、Ｓ１５０のループが繰り返される。
第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電により、放電アーク１３が筒内気流ＴＭＢによって引き伸ばされ、放電電圧ＶＩＮが所定の閾値ＶＲＥＦ以上となると、ステップＳ１４０の第２の磁場発生要否判定行程において、判定Ｙｅｓとなり、ステップ１６０の終了行程に進む。
【００２９】
図７を参照して、任意の方向に点火プラグ１０の組み付けられた場合であっても本願発明が効果を発揮するものであることを説明する。なお、点火プラグ１０の構成は、上述の実施形態と同様であり、点火プラグ１０をシリンダヘッド５０に組み付けた際の接地電極１２の方向のみが異なる場合の影響と本発明の効果を明確にするために、本図において、中心電極１１、接地電極１２の脚部１２０を示す引き出し線および符号は省略してある。
本図（ａ−１）、（ａ−２）、（ａ−３）は、接地電極１２の脚部１２０の位置が筒内気流ＴＭＢによる放電アーク１３の引き延ばしに影響を与えない位置を示し、このような場合には、筒内気流ＴＭＢが直接放電アーク１３を引き伸ばして、難着火性の機関においても安定した着火が実現できるので、第１の磁場発生手段ＭＧ１、第２の磁場発生手段ＭＧ２のいずれも作動させる必要がなく、磁界発生のためのエネルギを消耗しない。
【００３０】
さらに、接地電極１２が筒内気流ＴＭＢの上流側に位置し、放電アーク１３が接地電極１２の脚部１２０の影に隠れる場合には、上述の如く第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電が行われ、第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１が放電アーク１３に作用すると、本図（ｂ−１）に示すように、接地電極１２の影に隠れない方向、即ち、筒内気流ＴＭＢの流れ方向に対して斜め下流方向へ放電アーク１３が引き伸ばされ、筒内気流ＴＭＢが第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１によって引き伸ばされた放電アーク１３に作用するようになり、本図（ｂ−２）、（ｂ−３）に示すように第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電を行わずとも、筒内気流ＴＭＢによって放電アーク１３が引き延ばされ、難着火性の機関においても安定した着火が実現できる。
【００３１】
さらに、接地電極１２の脚部１２０が、中心電極１１に対して、筒内気流ＴＭＢの斜め下流側の位置となっている場合、放電アーク１３がと婦内気流ＴＭＢによって引き伸ばされないので、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電が行われるが、本図（ｃ−１）に示すように、第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１が、接地電極１２の脚部１２０に向かう方向に作用するため、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電後も、放電アーク１３が引き伸ばされず、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電が行われ、本図（ｃ−２）に示すように、放電アーク１３には、第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１と第２のローレンツ力ＦＬＮＺ２の合力が作用するため、筒内気流ＴＭＢに直交する方向に放電アーク１３が大きく湾曲され、これに筒内気流ＴＭＢが作用して、本図（ｃ−３）に示すように、接地電極１２を迂回して放電アーク１３が引き伸ばされることになる。
【００３２】
さらに、接地電極１２の脚部１２０が、筒内気流ＴＭＢの下流側に位置するときには、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電が行われ、本図（ｄ−１）に示すように、放電アーク１３が斜め下流方向に湾曲するが、筒内気流ＴＭＢの下流側に接地電極１２の脚部１２０が存在するために、接地電極１２の消炎作用の影響を受け安すいため、本図（ｄ−２）に示すように、第１の磁界発生手段ＭＧ２への通電を行い、第２のローレンツ力ＦＬＮＺ２も作用させることにより、接地電極放電が得放電アーク１３が大きく湾曲されて、筒内気流ＴＭＢが作用するようになり、本図（ｄ−３）に示すように、接地電極１２を迂回するように放電アーク１３が引き伸ばされることになる。
即ち、本図に示すように、本発明によれば、点火プラグ１０の任意の方向に対して、効果的に磁界を作用させて、筒内気流ＴＭＢによる放電アーク１３の引き延ばしを可能にし、内燃機関において安定した着火を実現できる。
【００３３】
ここで、本発明に至った経緯を図８、図９、図１０を参照して説明する。
図８（ａ）は、放電アーク１３に筒内気流が作用していない状態における放電電圧ＶＩＧであり、図８（ｂ）は、そのときの電圧増加率ΔＶの変化を示す特性図である。
図８（ａ）に示すように、筒内気流ＴＭＢが放電アーク１３に作用せず、放電アーク１３の引き延ばしが行われていない状態では、放電電圧ＶＩＧにほとんど変化がなく、電圧増加率ΔＶの変化も小さい。
一方、図９（ａ）は、放電アーク１３に筒内気流が作用している状態における放電電圧ＶＩＧであり、図９（ｂ）は、そのときの電圧増加率ΔＶの変化を示す特性図である。
図９（ａ）に示すように、筒内気流ＴＭＢが放電アーク１３に作用し、放電アーク１３の引き延ばしが行われている状態では、放電電圧ＶＩＧが大きく変化し、電圧増加率ΔＶの変化も大きい。
したがって、電圧増加率ΔＶを閾値判定することにより、放電アーク１３が筒内気流ＴＭＢによって引き伸ばされているか否かを判定できるとの知見を得たものである。
また、図１０に示すように、点火制御装置ＩＧＣによって点火プラグ１０に例えば２０ｋＶ以上の高電圧が印加され絶縁破壊に至り、一気に放電空間の抵抗が下がるので、放電開始直後は電圧増加率の変化が極めて大きいため判定時期から除外してある。また、放電が終了する２ｍｓ以上の期間も燃焼に伴い燃焼室内に発生するイオン電流の影響により電圧増加率の変化が大きいため判定時期から除外してある。
図１０（ａ）に示すように、放電アーク１３が引き伸ばされていない状態では、判定期間内における、電圧増加率ΔＶの最大値をＶＲＥＦとし、電圧増加率ΔＶを絶対値化することにより、図１０（ｂ）に示すように、放電アーク１３が引き伸ばされている状態を閾値ＶＲＥＦとの比較により認識することができる点に着目したものである。
本図において、実際に計測された電圧増加率の相対値の変化を一点鎖線で示し、負の値を反転させた絶対値の変化を実線でしめしてある。
【００３４】
なお、本発明において、第１の磁場発生手段ＭＧ１と第２の磁場発生手段ＭＧ２とのいずれを先にするかは、実際に適用される内燃機関の燃焼室内に発生する気流の方向や、点火プラグの取付位置等によって適宜変更可能である。
また、上記実施形態においては、第１の磁場発生手段によって放電アークの引き延ばしが行われなかった場合に、第１の磁場発生手段への通電を維持したまま、第２の磁場発生手段への通電を行う制御方法の例を示したが、いずれか一方への通電を選択的に行うようにしても良い。
さらに、磁場発生手段の数は第１、第２の２つに限定するものではなく、２以上の磁場発生手段を設けることにより、ローレンツ力を利用して、放電アークが引き伸ばされない状態を回避する本発明の趣旨に反しない限り、磁場発生手段の数は適宜変更可能である。
また、磁場発生手段に印加する電流の方向を変更することにより、発生する磁場の方向を変え、放電アークに作用するローレンツ力の方向を変え、もっとも効果的に放電アークの引き延ばしができる組み合わせを実際の燃焼行程を繰り返す間に学習し、最適な条件を選択するようにしても良い。
その際にも、電圧増加率ΔＶを閾値判定することにより、効果的な磁場の発生条件か否かを判断することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１ 内燃機関用点火装置
１０ 点火プラグ
１１ 中心電極
１２ 接地電極
１３ 放電アーク
２０ 点火制御装置（ＩＧＣ）
３０ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
４０ 磁界制御装置（ＭＧＣ）
５ 内燃機関
５０ シリンダヘッド
５００ 燃焼質
５１０ 吸気筒
５１１ 吸気バルブ
５２０ 排気筒
５２１ 排気バルブ
５３ シリンダブロック
５４ ピストン
ＩＮＪ 燃料噴射弁
ＭＧ１ 第１の磁界発生手段
ＭＧ２ 第２の磁界発生手段
ＦＬＮＺ１ 第１のローレンツ力
ＦＬＮＺ２ 第２のローレンツ力
ＴＭＢ 燃焼室内気流
ＦＬ 燃料噴霧
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】特開２００６−２８８２０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０６３７７号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の点火装置に関し、特に、極希薄な混合気の着火性向上に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、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たときに発生する放電アークに燃焼室内の発生する混合気の流れを作用させて、放電アークを引き伸ばして希薄な混合気の着火性を向上させた点火装置について種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、内燃機関に装着され、中心電極と、前記中心電極との間で放電火花を形成する接地電極を有し前記中心電極の外周に配置された円環状のハウジングと、前記中心電極と前記ハウジングとの間に設けられ前記中心電極と前記ハウジングとの電気的絶縁をなす絶縁碍子と、を備えた内燃機関用スパークプラグにおいて、前記ハウジングの端面部の外径面に、前記内燃機関の燃焼室内の混合気のタンブル渦気流を前記燃焼室の内部中央部方向へ制御する整流手段を設けたことを特徴とする内燃機関用スパークプラグが開示されている。
【０００４】
特許文献１にあるように、燃焼室内のタンブル渦気流等の燃焼内に発生する混合気の流れを整流して点火プラグの中心電極と接地電極との間の特定の位置に誘導することによって、中心電極と接地電極との間に高電圧を印加したときに発生する放電アークにタンブル渦気流を作用させて長く引き伸ばすことによって、高過給気エンジン、希薄燃焼機関等の難着火性の内燃機関において着火性の向上を図ることができると期待されている。
【０００５】
また、特許文献２にあるように、筒内噴射式内燃機関において、点火プラグの放電ギャップの中心位置から燃料噴射弁の噴孔の中心位置までの距離と、点火プラグの放電ギャップの中心位置から燃料噴射弁から噴射された燃料噴流の中心軸までの距離とを特定の範囲に設定することにより、燃料噴射弁から噴射された燃料噴流によりその周囲の空気が持ち去られたときに発生する燃料噴流の噴射方向とは略逆向きの引込み気流を点火プラグの放電ギャップ近傍に作用せしめることによって、放電アークを混合気の可燃領域に引き伸ばして着火性の向上を図ることができると期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、点火プラグを内燃機関のエンジンヘッドに組み付ける際に、点火プラグ自体の個体差や、締め付けトルクのバラツキ、エンジンヘッド側に形成されたネジ山の開始位置のバラツキ等によって点火プラグのハウジング先端で略Ｌ字形に延びる接地電極の方向は必ずしも一定方向とはならない。
また、内燃機関の運転状況によって、燃焼室内に発生する混合気の気流の強さ及び流れ方向も必ずしも一定ではない。
このため、特許文献１や特許文献２にあるように点火プラグの先端部にタンブル渦流や燃料噴射の引込流等の筒内に発生する気流を作用させたときに放電アークが引き伸ばされるか否かは確率的事象となり、期待通り放電アークが引き伸ばされない虞があることが判明した。
【０００７】
図１１は、本図（ａ）に示すように、エンジンを模した燃焼試験器を用い、点火プラグ１０の中心電極１１に対して、接地電極１２の軸部が上流側となるように筒内気流ＴＭＢが流れている状況で、エンジン回転数：２０００ｒｐｍ、点火プラグ１０への印加エネルギ：１５０ｍＪ、空燃比Ａ／Ｆ＝２５．３の条件で５００サイクルの燃焼試験を行い、燃焼室内の気流ＴＭＢを点火プラグ１０の中心電極１１と接地電極１２との間に作用させたときの図示平均有効圧Ｐｍｉと放電電圧の計測又は監視モニタカメラによる放電アークの観察により調査した結果である。
本図（ｂ）に示すように、５００サイクル中約８２％に当たる４１４サイクルで放電アークの引き延ばしが行われ、本図（ｃ）に示すように、５００サイクル中約１８％に当たる８６サイクルで放電アークの引き延ばしが行われなかった。また、放電アークの引き延ばしが行われなかった場合には、目標とする図示平均有効圧に到達せず、燃焼サイクルによって燃焼が悪化する虞がある。
【０００８】
したがって、例えば、燃焼室内に略Ｌ字形に延びる接地電極１２の軸部分が中心電極１１に対して筒内気流ＴＭＢの上流側となった場合には、中心電極１１と接地電極１２との間に流入する気流の流速が接地電極１２の軸部への衝突により減速され、中心電極１１と接地電極１２との間に発生した放電アークが十分引き伸ばされず、着火性向上の効果を発揮できない虞があり、タンブル渦流や、燃料噴射によって発生する引込流などの燃焼室内に発生した気流によって、放電アークが十分引き伸ばされるか否かが、確率的事象となり、着火の安定性を損なう虞がある。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、所定の放電距離を隔てて対向する中心電極と接地電極との間に高電圧を印加したときに発生する放電アークに筒内に発生する気流を作用させ、放電アークを引き延ばして燃焼の安定化を図る内燃機関において、放電アークの引き延ばし効果の確率的な変動を抑制し、常に安定した燃焼を実現する信頼性の高い内燃機関の点火装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明では、内燃機関に設けた点火プラグに高電圧を印加して絶縁体を介して対向する中心電極と接地電極との間に発生させた放電アークに内燃機関の燃焼室内に発生する気流を作用させて、上記放電アークを引き伸ばして燃焼室内に導入された混合気の点火を行う内燃機関用の点火装置であって、上記放電アークが実際に引き延ばされているか否かを判断する放電アーク引き延ばし判定手段と、該判定手段によって上記放電アークが引き伸ばされていないと判断したときには、上記放電アークに磁界を作用させて上記筒内気流による放電アークの引き延ばしを補助すべく磁場を発生させる磁場発生手段とを具備する。
【００１１】
請求項２の発明では、上記放電アーク引き延ばし判定手段が、上記点火プラグの放電電圧を検出する放電電圧検出手段と、該放電電圧の微少時間に対する電圧増加率を算出する電圧増加率算出手段と、放電開始から所定時間における上記電圧増加率と所定の閾値との比較により上記電圧増加率が上記閾値以上のときには上記放電アークが引き伸ばされていると判断する閾値判定手段とからなる。
【００１２】
請求項３の発明では、上記磁場発生手段が通電により発生する磁界の方向が違いに直交する２つの磁場発生手段からなり、上記放電アーク引き延ばし判定手段によって上記放電アークが引き伸ばされていないと判定されたときには、上記２つの磁場発生手段のいずれか一方、又は、両方への通電を行う。
【発明の効果】
【００１３】
上記筒内気流を中心電極と接地電極との間に発生した放電アークに作用させ、放電アークを引き伸ばすことによって着火性の向上を図ることができることが知られているが、筒内気流による放電アーク引き延ばしは、機関の運転状況や、上記点火プラグが上記燃焼室に組み付けられた状態によって変化する確率的事象であり、必ずしも安定的に筒内気流によって放電アークが引き伸ばされるとは限らない。
しかし、請求項１の発明によれば、上記放電アーク引き伸ばし判定手段によって、放電アークが引き伸ばされていないと判断した場合には、上記磁場発生手段への通電を行い上記放電アークに磁界によるローレンツ力を作用させ、上記放電アークを湾曲させることによって、上記筒内気流によって確実に放電アークを引き伸ばすことができ、安定した着火を実現できる。
また、上記放電アーク引き延ばし判定手段によって、放電アークが引き伸ばされていると判断した場合には、上記磁場発生手段への通電は行われず、無駄なエネルギの消耗を抑制することができる。
【００１４】
本願発明者等の鋭意試験により、筒内気流によって放電アークが引き伸ばされているときには、放電開始から所定時間における放電電圧が大きく変動し、筒内気流によって放電アークが引き伸ばされていないときには、放電開始から所定時間における放電電圧の変動が小さいことが判明した。
かかる知見に基づき、請求項２の発明にあるように、所定時間に対する放電電圧の電圧増加率を閾値判定することによって、容易に放電アークが引き伸ばされているか否かを判定することができるとの新たな知見を得たものである。
【００１５】
また、請求項３の発明によれば、磁場の発生方向を選択に変えることによって、エネルギロスをより少なく、かつ、より確実に放電アークの引き延ばしを行い極めて安定した着火を実現可能な内燃機関用点火装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態における内燃機関用点火装置の概要を示し、（ａ）は、燃焼室内側からエンジンヘッド側を望む平面図、（ｂ）は、本図（ａ）中Ａ−Ａに沿った矢視断面図。
【図２】図１に示した内燃機関用点火装置の第１の作用効果を（ａ）から（ｃ）の順を追って示す斜視図。
【図３】本発明の第１の効果を示し、（ａ）は、放電電圧の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、電圧増加率の経時変化を示す特性図。
【図４】図１に示した内燃機関用点火装置の第２の作用効果を（ａ）から（ｃ）の順を追って示す斜視図。
【図５】本発明の第２の効果を示し、（ａ）は、放電電圧の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、電圧増加率の経時変化を示す特性図。
【図６】本発明に用いられる磁場発生手段の制御方法の一例を示すフローチャート。
【図７】点火プラグが任意の方向に配設されたときの本発明の効果を示す模式図。
【図８】放電アークが筒内気流によって引き延ばされていない状態において、（ａ）は、放電電圧の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、電圧増加率の経時変化を示す特性図。
【図９】放電アークが筒内気流によって引き延ばされた状態において、（ａ）は、放電電圧の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、電圧増加率の経時変化を示す特性図。
【図１０】本発明の点火装置において磁界発生手段を駆動するか否かを決定するための閾値の選定方法を示し、（ａ）は、放電アークの引き延ばされていない状態における電圧増加率の経時変化を示す特性図、（ｂ）は、放電アークの引き延ばされている状態における電圧増加率の経時変化を示す特性図。
【図１１】従来の筒内気流を放電アークの引き延ばしに利用した点火装置の問題点を示し、（ａ）は、図示平均有効圧の計測条件を示す要部断面図、（ｂ）は、放電アークが引き伸ばされたときの特性図、（ｃ）は、は、放電アークが引き伸ばされていないときの特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１を参照して、本発明の実施形態における内燃機関用点火装置１の概要について説明する。
図１（ａ）は、本実施形態における点火装置１の適用された内燃機関（以下、Ｅ／Ｇと略す。）５の燃焼室側からエンジンヘッド側を望む平面図、（ｂ）は、本図（ａ）中Ａ−Ａに沿った矢視断面図である。
【００１８】
本図に示すように、Ｅ／Ｇ５は、エンジンヘッド５０と略筒状のシリンダ５４とシリンダ５２内に可動に収納されたピストン５３とによって構成され、エンジンヘッド５０の内壁とシリンダ５４の内周壁とピストン５３の頂面とによって燃焼室５００が区画されている。
エンジンヘッド５０には吸気バルブ５１１によって開閉される吸気筒５１０と、排気バルブ５２１によって開閉される排気筒５２０とが形成されている。
エンジンヘッド５０には、燃焼室５００内に高圧燃料ＦＬを噴霧する燃料噴射弁（ＩＮＪ）と、高電圧の印加により放電アークを発生され燃焼室内に導入された混合気の点火を行う点火プラグ１０と、本発明の要部である放電アーク引き延ばし判定手段及び放電電圧検出手段を内蔵するエンジン制御装置（ＥＣＵ）３０と、磁場発生手段として第１の磁場発生手段ＭＧ１と第２の磁場発生手段ＭＧ２とが設けられている。
第１の磁場発生手段ＭＧ１と第２の磁場発生手段ＭＧ２とのいずれか一方、又は、両方への通電によって、点火プラグ１０の中心電極１１と接地電極１２との間に発生する放電アーク１３にローレンツ力ＦＬＮＺ１、ＦＬＮＺ２を選択的に作用させ、所望の方向へ湾曲させることができる。
【００１９】
第１の磁場発生手段ＭＧ１と第２の磁場発生手段ＭＧ２とは、発生する磁界ＭＧＦ１、ＭＧＦ２の方向が点火プラグ１０の中心軸を通り、互いに直交する方向となる位置に設けられており、点火プラグ１０の中心電極１１と接地電極１２との間に高電圧を印加したときに発生する放電アーク１３に対して互いに直交する方向のローレンツ力ＦＬＮＺ１、ＦＬＮＺ２を発生させることができる。
【００２０】
点火制御手段（ＩＧＣ）２０は、少なくともＩＧＢＴ、サイリスタ等の開閉素子とＤＣ−ＤＣコンバータや昇圧コイル等の電源電圧を高電圧に昇圧する昇圧回路とを含む公知の点火制御手段であって、Ｅ／Ｇ５の運転状況に応じてＥＣＵ３０から発信された点火信号ＩＧｔにしたがって、点火プラグ１０の中心電極１１と接地電極１２との間に高電圧を印加し、放電アーク１３を発生させる。ＩＧＣ２０は、いわゆる誘導放電型（ＴＣＩ）の点火制御手段と容量放電型（ＣＤＩ）の点火制御手段とのいずれでも良い。
また、ＩＧＣ２０は図略の電圧検出手段を具備し、点火プラグ１０に印加した放電電圧ＶＩＧの経時変化をモニタし、ＥＣＵ３０へ伝達する。
【００２１】
また、電圧増加率算出手段として、ＥＣＵ３０では、放電電圧ＶＩＧから、例えば０．０５ｍｓ毎の微少時間における電圧増加率ΔＶを算出する。
なお、電圧増加率ΔＶは、（数１）に示すように、０．０５ｍｓ間の放電電圧ＶＩＧの変化量（ｋＶ）を０．０５ｍｓで割った値の絶対値とした。
【数１】
【００２２】
磁場発生制御手段（ＭＧＣ）４０では、後述する磁場制御方法にしたがって、電圧増加率ΔＶを閾値判定する閾値判定手段を具備し、第１の磁場発生手段ＭＧ１、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電の要否を判定し、ＩＧＣ２０の検出した放電電圧ＶＩＧに応じて、第１の磁場発生手段（ＭＧ１）、又は／及び、第２の磁場発生手段（ＭＧ２）に通電を行い中心電極１１と接地電極１２との間に発生した放電アーク１３に対して、第１の磁界ＭＧＦ１又は／及び、第２の磁界ＭＧＦ２を作用させ、それぞれの磁界ＭＧＦ１、ＭＧＦ２に対して直交する方向の第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１／又は／及び、第２のローレンツ力ＦＬＮＺ２を発生させる。
【００２３】
ここで、図２、図３を参照して、第１の磁場発生手段ＭＧ１により第１の磁界ＭＧＦ１を発生させたときの効果について説明する。
例えば、燃焼室内に向かって略Ｌ字形に延びる接地電極１２の脚部１２０が、筒内に流れる気流ＴＭＢに対して上流側となる方向で点火プラグ１０がシリンダヘッド５０に組み付けられている場合、図２（ａ）に示すように、中心電極１１の先端と接地電極１２の放電部１２１との間に放電アーク１３が発生したときに、接地電極１２の脚部１２０が障壁となり、放電アーク１３は、筒内気流ＴＭＢに晒されることなく引き伸ばされない。
成層燃焼機関や高過給燃焼機関等の難着火性の機関においては、このままでは失火に至る虞がある。
そこで、このように、筒内気流によって放電アーク１３が引き伸ばされない場合には、第１の磁場発生手段ＭＧ１を駆動し、第１の磁界ＭＧＦ１を放電アーク１３に作用させる。すると、本図（ｂ）に示すように、第１の磁界ＭＧＦ１に直交する方向の第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１によって放電アーク１３がローレンツ力ＦＬＮＺ１の作用する方向に引き伸ばされることになる。
すると、放電アーク１３は、接地電極１２の脚部１２０の影からはみ出し、筒内気流ＴＭＢに晒されることになり、本図（ｃ）に示すように筒内気流ＴＭＢによって、長く引き伸ばされることになり、難着火性機関の点火が可能となる。
【００２４】
このときに電圧検出手段によって検出された放電電圧ＶＩＧの変化、及び、電圧増加率ΔＶの経時変化を図３に示す。
図３（ａ）に示すように、放電開始から、一定期間ｔ１の間放電アーク１３が引き伸ばされず、本図（ｂ）に示すように、電圧増加率ΔＶが所定の閾値ＶＲＥＦ（例えば、２ｋＶ／ｍｓ）より低い場合には、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電を行う。
このとき、第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１が放電アーク１３作用し、筒内気流ＴＭＢによって放電アーク１３が引き伸ばされると、本図(ａ)に示すように、放電電圧ＶＩＧが大きく変化する。
なお、点火プラグ１０において、中心電極１１と接地電極１２との間に放電アーク１３が発生し、筒内気流ＴＭＢによって放電アーク１３が引き伸ばされ放電電圧ＶＩＧに変化を生じはじめるのは、放電開始から、０．２ｍｓ程度の時間が経過したときであり、また、放電アーク１３が維持されるのは、２ｍｓ程度の期間である。
【００２５】
さらに、本実施形態において、点火プラグ１０は、図略の絶縁体を介して対向する中心電極１１と接地電極１２との間に高電圧を印加したときに放電アーク１３を発生する、いわゆるスパークプラグを示したが、中心電極１１、及び、接地電極１２の材質、形状等を特に限定するものではなく、公知の点火プラグを適宜採用し得るものである。
また、本実施形態においては、中心電極１１側が正極とし、接地電極１２側を負極として、放電アーク１３は、中心電極１１から接地電極１２に向かう電流とみなして第１、第２のローレンツ力ＦＬＮＺ１、ＦＬＮＺ２の方向を図示しているが、中心電極１１及び接地電極１２の極性を逆にすれば、作用するローレンツ力ＦＬＮＺ１、ＦＬＭＮＺ２の方向も逆向きになる。
【００２６】
次いで、図４、図５を参照して、第２の磁場発生手段ＭＧ２により第２の磁界ＭＧＦ２を発生させたときの効果について説明する。
例えば、本図（ａ）に示すように、接地電極１の脚部１２０が、筒内気流ＴＭＢの下流側となるように点火プラグ１０が組み付けられた場合、接地電極１２の脚部１２０によって放電アーク１３の引き延ばしが遮られ、さらに、本図（ｂ）に示すように、上述のように第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電により、磁界ＭＧＦ１が放電アーク１３に作用しても、なお、放電アーク１３の引き延ばしに至らない場合に、本図（ｃ）に示すように、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電が行われ、第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１に加え第２のローレンツ力ＦＬＮＺ２が放電アーク１３に作用し、放電アーク１３の湾曲方向を変化させ、筒内気流ＴＭＢによって放電アーク１３が大きく引き伸ばされるようになる。
このときの放電電圧ＶＩＧ（ｋＶ）及び電圧変化率ΔＶ（ｋＶ／ｍｓ）を図５に示す。
【００２７】
図５（ａ）に示すように、本実施例においては、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電により、第１の磁界ＭＧＦ１を放電アーク１３に作用させてもなお、本図（ｂ）に示すように、所定の時間ｔ２において、電圧増加率ΔＶが所定の閾値ＶＲＥＦ（例えば、２ｋＶ／ｍｓ）より低いため、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電を行い、第２の磁界ＭＧＦ２を放電アーク１３に作用させる。
すると筒内気流ＴＭＢによって放電アーク１３が引き伸ばされるようになり、本図(ａ)に示すように、放電電圧ＶＩＧが大きく変化する。
なお、 一旦、筒内気流ＴＭＢにより放電アークが引き伸ばされれば、第１の磁場発生手段ＭＧ１、及び/又は、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電を終了しても良い。
【００２８】
図６を参照して、本発明における磁場発生手段の制御方法の一例を説明する。
ＥＣＵ３０から点火信号ＩＧｔの発振がなされると、それをトリガとして、磁場発生手段の制御フローが開始される。
ステップＳ１００の第１の判定要否判定行程では、放電開始から第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電の要否を判定する第１の判定時期か否かが判定される。
放電開始から一定時間ｔ１となるまでは放電電圧ＶＩＧの変化が少なく、ステップＳ１００のループを繰り返しｔ１の経過まで待機される。
所定の時間ｔ１となるとステップＳ１００の判定がＹｅｓとなり、ステップＳ１１０の第１の磁場発生要否判定行程に進む。Ｓ１１０の第１の磁場発生要否判定行程では、電圧増加率ΔＶと所定の閾値ＶＲＥＦとの比較による第１の閾値判定が行われる。このとき、ΔＶ＜ＶＲＥＦなら判定Ｙｅｓとなり、ステップＳ１２０の第１の磁場発生行程へ進む。
ステップＳ１２０の第１の磁場発生行程では、放電アーク１３に第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１を作用させるべく第１の磁場発生手段への通電が開始される（ＭＧ１ ＯＮ）。
ステップＳ１１０において、電圧増加率が所定の閾値以上、即ち、ΔＶ≧ＶＲＥＦなら判定Ｎｏとなり、磁場発生手段への通電は不要と判断され、ステップＳ１６０の終了行程に進み、第１の磁場発生手段ＭＧ１、第２の磁場発生手段ＭＧ２共に通電は行われない。
即ち、磁場による補助がなくても筒内気流ＴＭＢにより、放電アーク１３が引き延ばされる場合には、磁場発生手段ＭＧ１、ＭＧ２への通電を行わず、エネルギを制限することができる。
次いで、ステップＳ１３０の第２の判定要否判定行程では、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電の要否を判定する第１の判定時期か否かが判定される。
ステップＳ１３０において、所定の時間ｔ２を経過するまでは、判定Ｎｏとなり、第２の判定が行われることがなく、ステップＳ１００〜Ｓ１３０のループが繰り返される。ステップＳ１３０において所定時間ｔ２が経過すると判定Ｙｅｓとなり、ステップＳ１４０の第２の磁場発生要否判定行程に進む。
ステップＳ１４０の第２の磁場発生要否判定行程では、電圧増加率ΔＶと所定の閾値ＶＲＥＦとの比較による第２の閾値判定が行われる。このとき、ΔＶ＜ＶＲＥＦなら判定Ｙｅｓとなり、ステップＳ１５０の第２の磁場発生行程へ進む。
即ち、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電により、電圧増加率が所定の閾値ＶＲＥＦ以上となったら第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電が不要であるので、判定Ｎｏとなり、ステップＳ１６０の終了行程に進む。
ステップＳ１５０の第２の磁場発生行程では、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電がなされ、ステップ１４０で判定Ｎｏとなるまで、ステップＳ１４０、Ｓ１５０のループが繰り返される。
第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電により、放電アーク１３が筒内気流ＴＭＢによって引き伸ばされ、放電電圧ＶＩＮが所定の閾値ＶＲＥＦ以上となると、ステップＳ１４０の第２の磁場発生要否判定行程において、判定Ｙｅｓとなり、ステップ１６０の終了行程に進む。
【００２９】
図７を参照して、任意の方向に点火プラグ１０の組み付けられた場合であっても本願発明が効果を発揮するものであることを説明する。なお、点火プラグ１０の構成は、上述の実施形態と同様であり、点火プラグ１０をシリンダヘッド５０に組み付けた際の接地電極１２の方向のみが異なる場合の影響と本発明の効果を明確にするために、本図において、中心電極１１、接地電極１２の脚部１２０を示す引き出し線および符号は省略してある。
本図（ａ−１）、（ａ−２）、（ａ−３）は、接地電極１２の脚部１２０の位置が筒内気流ＴＭＢによる放電アーク１３の引き延ばしに影響を与えない位置を示し、このような場合には、筒内気流ＴＭＢが直接放電アーク１３を引き伸ばして、難着火性の機関においても安定した着火が実現できるので、第１の磁場発生手段ＭＧ１、第２の磁場発生手段ＭＧ２のいずれも作動させる必要がなく、磁界発生のためのエネルギを消耗しない。
【００３０】
さらに、接地電極１２が筒内気流ＴＭＢの上流側に位置し、放電アーク１３が接地電極１２の脚部１２０の影に隠れる場合には、上述の如く第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電が行われ、第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１が放電アーク１３に作用すると、本図（ｂ−１）に示すように、接地電極１２の影に隠れない方向、即ち、筒内気流ＴＭＢの流れ方向に対して斜め下流方向へ放電アーク１３が引き伸ばされ、筒内気流ＴＭＢが第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１によって引き伸ばされた放電アーク１３に作用するようになり、本図（ｂ−２）、（ｂ−３）に示すように第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電を行わずとも、筒内気流ＴＭＢによって放電アーク１３が引き延ばされ、難着火性の機関においても安定した着火が実現できる。
【００３１】
さらに、接地電極１２の脚部１２０が、中心電極１１に対して、筒内気流ＴＭＢの斜め下流側の位置となっている場合、放電アーク１３がと婦内気流ＴＭＢによって引き伸ばされないので、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電が行われるが、本図（ｃ−１）に示すように、第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１が、接地電極１２の脚部１２０に向かう方向に作用するため、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電後も、放電アーク１３が引き伸ばされず、第２の磁場発生手段ＭＧ２への通電が行われ、本図（ｃ−２）に示すように、放電アーク１３には、第１のローレンツ力ＦＬＮＺ１と第２のローレンツ力ＦＬＮＺ２の合力が作用するため、筒内気流ＴＭＢに直交する方向に放電アーク１３が大きく湾曲され、これに筒内気流ＴＭＢが作用して、本図（ｃ−３）に示すように、接地電極１２を迂回して放電アーク１３が引き伸ばされることになる。
【００３２】
さらに、接地電極１２の脚部１２０が、筒内気流ＴＭＢの下流側に位置するときには、第１の磁場発生手段ＭＧ１への通電が行われ、本図（ｄ−１）に示すように、放電アーク１３が斜め下流方向に湾曲するが、筒内気流ＴＭＢの下流側に接地電極１２の脚部１２０が存在するために、接地電極１２の消炎作用の影響を受け安すいため、本図（ｄ−２）に示すように、第１の磁界発生手段ＭＧ２への通電を行い、第２のローレンツ力ＦＬＮＺ２も作用させることにより、接地電極放電が得放電アーク１３が大きく湾曲されて、筒内気流ＴＭＢが作用するようになり、本図（ｄ−３）に示すように、接地電極１２を迂回するように放電アーク１３が引き伸ばされることになる。
即ち、本図に示すように、本発明によれば、点火プラグ１０の任意の方向に対して、効果的に磁界を作用させて、筒内気流ＴＭＢによる放電アーク１３の引き延ばしを可能にし、内燃機関において安定した着火を実現できる。
【００３３】
ここで、本発明に至った経緯を図８、図９、図１０を参照して説明する。
図８（ａ）は、放電アーク１３に筒内気流が作用していない状態における放電電圧ＶＩＧであり、図８（ｂ）は、そのときの電圧増加率ΔＶの変化を示す特性図である。
図８（ａ）に示すように、筒内気流ＴＭＢが放電アーク１３に作用せず、放電アーク１３の引き延ばしが行われていない状態では、放電電圧ＶＩＧにほとんど変化がなく、電圧増加率ΔＶの変化も小さい。
一方、図９（ａ）は、放電アーク１３に筒内気流が作用している状態における放電電圧ＶＩＧであり、図９（ｂ）は、そのときの電圧増加率ΔＶの変化を示す特性図である。
図９（ａ）に示すように、筒内気流ＴＭＢが放電アーク１３に作用し、放電アーク１３の引き延ばしが行われている状態では、放電電圧ＶＩＧが大きく変化し、電圧増加率ΔＶの変化も大きい。
したがって、電圧増加率ΔＶを閾値判定することにより、放電アーク１３が筒内気流ＴＭＢによって引き伸ばされているか否かを判定できるとの知見を得たものである。
また、図１０に示すように、点火制御装置ＩＧＣによって点火プラグ１０に例えば２０ｋＶ以上の高電圧が印加され絶縁破壊に至り、一気に放電空間の抵抗が下がるので、放電開始直後は電圧増加率の変化が極めて大きいため判定時期から除外してある。また、放電が終了する２ｍｓ以上の期間も燃焼に伴い燃焼室内に発生するイオン電流の影響により電圧増加率の変化が大きいため判定時期から除外してある。
図１０（ａ）に示すように、放電アーク１３が引き伸ばされていない状態では、判定期間内における、電圧増加率ΔＶの最大値をＶＲＥＦとし、電圧増加率ΔＶを絶対値化することにより、図１０（ｂ）に示すように、放電アーク１３が引き伸ばされている状態を閾値ＶＲＥＦとの比較により認識することができる点に着目したものである。
本図において、実際に計測された電圧増加率の相対値の変化を一点鎖線で示し、負の値を反転させた絶対値の変化を実線でしめしてある。
【００３４】
なお、本発明において、第１の磁場発生手段ＭＧ１と第２の磁場発生手段ＭＧ２とのいずれを先にするかは、実際に適用される内燃機関の燃焼室内に発生する気流の方向や、点火プラグの取付位置等によって適宜変更可能である。
また、上記実施形態においては、第１の磁場発生手段によって放電アークの引き延ばしが行われなかった場合に、第１の磁場発生手段への通電を維持したまま、第２の磁場発生手段への通電を行う制御方法の例を示したが、いずれか一方への通電を選択的に行うようにしても良い。
さらに、磁場発生手段の数は第１、第２の２つに限定するものではなく、２以上の磁場発生手段を設けることにより、ローレンツ力を利用して、放電アークが引き伸ばされない状態を回避する本発明の趣旨に反しない限り、磁場発生手段の数は適宜変更可能である。
また、磁場発生手段に印加する電流の方向を変更することにより、発生する磁場の方向を変え、放電アークに作用するローレンツ力の方向を変え、もっとも効果的に放電アークの引き延ばしができる組み合わせを実際の燃焼行程を繰り返す間に学習し、最適な条件を選択するようにしても良い。
その際にも、電圧増加率ΔＶを閾値判定することにより、効果的な磁場の発生条件か否かを判断することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１ 内燃機関用点火装置
１０ 点火プラグ
１１ 中心電極
１２ 接地電極
１３ 放電アーク
２０ 点火制御装置（ＩＧＣ）
３０ エンジン制御装置（ＥＣＵ）
４０ 磁界制御装置（ＭＧＣ）
５ 内燃機関
５０ シリンダヘッド
５００ 燃焼質
５１０ 吸気筒
５１１ 吸気バルブ
５２０ 排気筒
５２１ 排気バルブ
５３ シリンダブロック
５４ ピストン
ＩＮＪ 燃料噴射弁
ＭＧ１ 第１の磁界発生手段
ＭＧ２ 第２の磁界発生手段
ＦＬＮＺ１ 第１のローレンツ力
ＦＬＮＺ２ 第２のローレンツ力
ＴＭＢ 燃焼室内気流
ＦＬ 燃料噴霧
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】特開２００６−２８８２０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０６３７７号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に設けた点火プラグに高電圧を印加して絶縁体を介して対向する中心電極と接地電極との間に発生させた放電アークに内燃機関の燃焼室内に発生する気流を作用させて、上記放電アークを引き伸ばして燃焼室内に導入された混合気の点火を行う内燃機関用の点火装置であって、
上記放電アークが実際に引き延ばされているか否かを判断する放電アーク引き延ばし判定手段と、
該判定手段によって上記放電アークが引き伸ばされていないと判断したときには、上記放電アークに磁界を作用させて上記筒内気流による放電アークの引き延ばしを補助すべく磁場を発生させる磁場発生手段とを具備することを特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項２】
上記放電アーク引き延ばし判定手段が、上記点火プラグの放電電圧を検出する放電電圧検出手段と、該放電電圧の微少時間に対する電圧増加率を算出する電圧増加率算出手段と、放電開始から所定時間における上記電圧増加率と所定の閾値との比較により上記電圧増加率が上記閾値以上のときには上記放電アークが引き伸ばされていると判断する閾値判定手段とからなる請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項３】
上記磁場発生手段が通電により発生する磁界の方向が違いに直交する２つの磁場発生手段からなり、上記放電アーク引き延ばし判定手段によって上記放電アークが引き伸ばされていないと判定されたときには、上記２つの磁場発生手段のいずれか一方、又は、両方への通電を行う請求項１又は２に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項１】
内燃機関に設けた点火プラグに高電圧を印加して絶縁体を介して対向する中心電極と接地電極との間に発生させた放電アークに内燃機関の燃焼室内に発生する気流を作用させて、上記放電アークを引き伸ばして燃焼室内に導入された混合気の点火を行う内燃機関用の点火装置であって、
上記放電アークが実際に引き延ばされているか否かを判断する放電アーク引き延ばし判定手段と、
該判定手段によって上記放電アークが引き伸ばされていないと判断したときには、上記放電アークに磁界を作用させて上記筒内気流による放電アークの引き延ばしを補助すべく磁場を発生させる磁場発生手段とを具備することを特徴とする内燃機関用点火装置。
【請求項２】
上記放電アーク引き延ばし判定手段が、上記点火プラグの放電電圧を検出する放電電圧検出手段と、該放電電圧の微少時間に対する電圧増加率を算出する電圧増加率算出手段と、放電開始から所定時間における上記電圧増加率と所定の閾値との比較により上記電圧増加率が上記閾値以上のときには上記放電アークが引き伸ばされていると判断する閾値判定手段とからなる請求項１に記載の内燃機関用点火装置。
【請求項３】
上記磁場発生手段が通電により発生する磁界の方向が違いに直交する２つの磁場発生手段からなり、上記放電アーク引き延ばし判定手段によって上記放電アークが引き伸ばされていないと判定されたときには、上記２つの磁場発生手段のいずれか一方、又は、両方への通電を行う請求項１又は２に記載の内燃機関用点火装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−７３５１（Ｐ２０１３−７３５１Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１４１９（Ｐ２０１１−１４１４１９）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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