CN109139332A

CN109139332A - 内燃机的控制装置及控制方法

Info

Publication number: CN109139332A
Application number: CN201810630675.2A
Authority: CN
Inventors: 叶狩秀树
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2019-01-04
Anticipated expiration: 2038-06-19
Also published as: JP2019007436A; US20180372058A1; JP6395905B1; DE102018209678A1; US10578072B2; CN109139332B

Abstract

本发明提供一种能利用简单的方法高精度地推定放电等离子体长度及缸内流动速度的内燃机的控制装置及控制方法。该内燃机的控制装置(50)包括：对由次级线圈产生的电压即次级电压(V2)进行检测的次级电压检测部(52)；计算放电期间内的次级电压的最小值(V2min)的次级电压最小值计算部(53)；基于次级电压(V2)及次级电压的最小值(V2min)计算放电等离子体的长度(L)的放电等离子体长度计算部(54)；以及基于放电等离子体的长度(L)的时间变化与库仑力计算缸内流动速度(va)的缸内流动计算部(58)。

Description

内燃机的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及具备点火线圈的内燃机的控制装置及控制方法。

背景技术

以往，作为内燃机的点火装置，已知有一种点火系统，将利用点火线圈进行升压后的电压提供给火花塞，使配置在内燃机的燃烧室内的火花塞的间隙之间产生火花放电(这里指绝缘破坏以及之后形成放电等离子体)，并利用该火花放电所提供的能量对燃烧室内的混合气体进行火花点火。

近年来，为了实现以提高内燃机的燃油效率为目的的趋势、即增压小型化、高压缩比化、进一步高稀释燃烧，要求点火系统具有高性能。即，在增压小型化内燃机、高压缩比内燃机中，火花点火时的缸内压力与现有的内燃机相比具有大幅提高的趋势，其结果是，绝缘破坏电压也变高，因此，要求增大点火线圈的输出能量，并且对于点火线圈、火花塞的耐电压的要求也正在变高。此外，高稀释燃烧是指高EGR燃烧、高贫燃燃烧，这样的混合气体的稳定燃烧区域通常较小，为了使其稳定燃烧，已知增大点火线圈的输出能量、延长放电期间、以及增强缸内流动等措施是有效的。

另外，已知有如下现象：在如上述那样使用增大了输出能量的点火线圈从而能产生强缸内流动的内燃机中进行火花点火时，火花塞的间隙之间产生的放电等离子体会因缸内流动而流动并延伸得较长。并且，已知在放电等离子体像上述那样流动并延伸的情况下，放电等离子体周边的混合气体被活化，并且放电等离子体离开火花塞，从而因电极的冷却而造成的影响也变少，因此在高稀释燃烧时也有助于使燃烧稳定化。这种现象例如记载在专利文献1至3中。

专利文献1公开了如下技术：在基于点火电流值而观测到放电火花的流动时中断放电，并抑制放电流动时和放电不流动时的差，由此来抑制循环间的输出变动。专利文献2公开了如下技术：基于放电电压计算放电路径长度，并利用火花塞所具备的电磁体来控制放电的长度。专利文献3中公开了如下方法：基于伴随次级电压变化的次级电流的斜率的变化，推定燃烧室中的气流的速度即气流速度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2008－88947号公报

专利文献2：日本专利第4978737号公报

专利文献3：日本专利特开2015－200257号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明的申请人也独自在有无流动的环境下进行了火花点火的可视化试验，并对此时点火线圈的次级电流、次级电压进行了测量。其结果是，发现在没有流动、即放电不流动的情况下，在次级电压大致一定的状态下进行放电，次级电流逐渐减少。此外，发现在有流动时、即放电流动的情况下，次级电压随着放电等离子体的延伸而增大，与没有流动时相比，次级电流的减少也提早。

本发明的申请人进一步进行探讨，并对次级电流、次级电压、放电等离子体长度、缸内流动、燃烧稳定性的关系进行探讨，认为只要能更准确地计算放电等离子体长度、缸内流动速度，就能据此对缸内流动、点火能量进行操作来提高燃烧稳定性。这是因为，若缸内流动过强，则放电等离子体被吹走，若缸内流动过弱，则放电等离子体不延伸，因此认为放电等离子体不被吹走的程度的缸内流动最合适，而且通过增大点火能量，放电等离子体变得不容易被吹走。

然而，专利文献1至3所公开的方法只提到了次级电流、次级电压与放电等离子体长度、缸内流动速度之间存在某种相关关系，即便假设将次级电压与放电等离子体长度的关系作为控制映射进行存储，由于不知道需要详细到何种程度的映射，近似式那样的信息也未示出，因此具体如何求出放电等离子体长度并不明确。对于次级电流、次级电压与缸内流动速度的关系也相同。而且，也考虑直接使用次级电压来代替放电等离子体长度、缸内流动速度，但由于次级电压会根据缸内的环境(压力、温度、空燃比等)产生较大变化，因此，若采用次级电压进行控制，则认为常数设定、匹配会变得复杂。

本发明的课题在于解决上述问题，其目的在于，提供一种能通过简单的方法高精度地推定放电等离子体长度及缸内流动速度的内燃机的控制装置以及控制方法。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的内燃机的控制装置是如下内燃机的控制装置，该内燃机包括：火花塞，该火花塞具有配置在燃烧室内的火花塞间隙；以及点火线圈，该点火线圈具有提供有来自直流电源的电力的初级线圈以及匝数比所述初级线圈要多、且产生提供给所述火花塞的高压电压的次级线圈，所述内燃机的控制装置包括：

点火线圈控制部，该点火线圈控制部为了使所述次级线圈产生高压电压，并使所述火花塞间隙产生火花放电，对所述初级线圈和所述直流电源进行通电然后切断；

次级电压检测部，该次级电压检测部对由所述次级线圈产生的电压即次级电压进行检测；

次级电压最小值计算部，该次级电压最小值计算部基于检测到的所述次级电压，计算放电期间内的所述次级电压的最小值；

放电等离子体长度计算部，该放电等离子体长度计算部基于所述次级电压以及所述次级电压的最小值，计算放电等离子体的长度；以及

缸内流动计算部，该缸内流动计算部基于所述放电等离子体的长度的时间变化和所述放电等离子体的带电粒子受到的库仑力，计算所述燃烧室内的气体的流动速度即缸内流动速度。

此外，本发明的内燃机的控制方法是如下内燃机的控制方法，该内燃机包括：火花塞，该火花塞具有配置在燃烧室内的火花塞间隙；以及点火线圈，该点火线圈具有提供有来自直流电源的电力的初级线圈以及匝数比所述初级线圈要多、且产生提供给所述火花塞的高压电压的次级线圈，所述内燃机的控制方法执行如下步骤：

点火线圈控制步骤，该点火线圈控制步骤中，为了使所述次级线圈产生高压电压，并使所述火花塞间隙产生火花放电，对所述初级线圈和所述直流电源进行通电然后切断；

次级电压检测步骤，该次级电压检测步骤中，对由所述次级线圈产生的电压即次级电压进行检测；

次级电压最小值计算步骤，该次级电压最小值计算步骤中，基于检测到的所述次级电压，计算放电期间内的所述次级电压的最小值；

放电等离子体长度计算步骤，该放电等离子体长度计算步骤中，基于所述次级电压以及所述次级电压的最小值，计算放电等离子体的长度；以及

缸内流动计算步骤，该缸内流动计算步骤中，基于所述放电等离子体的长度的时间变化和所述放电等离子体的带电粒子受到的库仑力，计算所述燃烧室内的气体的速度即缸内流动速度。

发明效果

根据本发明所涉及的内燃机的控制装置及控制方法，通过计算放电期间内的次级电压的最小值，从而能根据放电时期的缸内压力等检测每次点火时产生变动的放电刚开始后的次级电压。然后，在次级电压的基础上，还能基于放电期间内的次级电压的最小值，通过简单的方法高精度地推定放电等离子体的长度。因放电等离子体的带电粒子受到的库仑力，放电等离子体示出与周围的缸内流动不同的举动，并非简单地成为“放电等离子体长度的变化速度＝缸内流动速度”。由于在放电等离子体的长度的时间变化的基础上，基于库仑力计算出缸内流动速度，因此，能通过使用了放电等离子体的长度的简单的方法高精度地推定缸内流动速度。

附图说明

图1是本发明实施方式1所涉及的内燃机及控制装置的简要结构图。

图2是本发明实施方式1所涉及的点火线圈以及火花塞的示意电路图。

图3是本发明实施方式1所涉及的控制装置的框图。

图4是本发明实施方式1所涉及的控制装置的硬件结构图。

图5是示出本发明实施方式1所涉及的放电等离子体没有延伸时的次级线圈侧的举动的时序图。

图6是示出本发明实施方式1所涉及的放电等离子体有延伸时的次级线圈侧的举动的时序图。

图7是示出本发明实施方式1所涉及的放电等离子体没有延伸时的放电等离子体的示意图。

图8是示出本发明实施方式1所涉及的放电等离子体有延伸时的放电等离子体的示意图。

图9是本发明实施方式1所涉及的考虑方式(A)的放电等离子体延伸的示意图。

图10是本发明实施方式1所涉及的考虑方式(B)的放电等离子体延伸的示意图。

图11是本发明实施方式1所涉及的考虑方式(C)的放电等离子体延伸的示意图。

图12是本发明实施方式1所涉及的模型化为U字型后的放电等离子体的示意图。

图13是对本发明实施方式1所涉及的麦克斯韦应力进行说明的示意图。

图14是对本发明实施方式1所涉及的放电等离子体周围的动量的方程式进行说明的示意图。

图15是示出本发明的实施方式1所涉及的放电等离子体长度的计算处理的流程图。

图16是用于对本发明实施方式1所涉及的存储在存储装置中的次级电压等进行说明的图。

图17是示出本发明实施方式1所涉及的发生放电等离子体吹走时的次级线圈侧的举动的时序图。

图18是示出本发明实施方式1所涉及的基于放电等离子体长度对缸内流动进行操作的处理的流程图。

图19是用于对与本发明实施方式1所涉及的放电等离子体长度及吹走次数相对应的流动相关值的计算进行说明的图。

图20是用于对与本发明实施方式1所涉及的缸内流动速度及吹走次数相对应的流动相关值的计算进行说明的图。

图21是本发明其它实施方式所涉及的点火线圈以及火花塞的示意电路图。

具体实施方式

实施方式1.

参照附图对实施方式1所涉及的内燃机1的控制装置50(下面简称为控制装置50)进行说明。图1是本实施方式所涉及的内燃机1及控制装置50的示意结构图，图2是火花塞12、点火线圈13以及控制装置50的示意电路结构图，图3是本实施方式所涉及的控制装置50的框图。内燃机1及控制装置50搭载于车辆，内燃机1作为车辆(车轮)的驱动力源。

1.内燃机1的结构

首先，对内燃机1的结构进行说明。内燃机1具有供空气与燃料的混合气体燃烧的燃烧室25。燃烧室25由气缸(cylinder)和活塞构成。以下也将燃烧室内称为缸内。内燃机1具备将空气提供给燃烧室25的进气通路23、以及将在燃烧室25中进行了燃烧的废气排出的排气通路14。

进气通路23的上游侧设有气流传感器2，该气流传感器2输出与从大气吸入到进气通路23中的吸入空气的流量相对应的电信号。气流传感器2的下游侧的进气通路23中设有对进气通路23进行开闭的电子控制式的节流阀4。节流阀4中设有输出与节流阀4的开度相对应的电信号的节流开度传感器3。节流阀4下游侧的进气通路23的部分设为进气歧管19。进气歧管19上游侧的部分设为对进气脉动进行抑制的缓冲罐(surge tank)5，进气歧管19下游侧的部分设为进气端口6。

内燃机1包括供废气从排气通路14向进气歧管19回流的EGR流路21、以及对EGR流路21进行开闭的电子控制式的EGR阀15。进气歧管19中设有输出与进气歧管19内的气体压力即歧管压力相对应的电信号的歧管压力传感器7、以及输出与进气歧管19内的气体温度即歧管温度相对应的电信号的歧管温度传感器8。

燃烧室25中设有向燃烧室25内喷射燃料的喷射器9。另外，喷射器9也可以设置于进气端口6，从而向进气端口6内喷射燃料。

燃烧室25的顶部设有对空气与燃料的混合气体进行点火的火花塞12。设有向火花塞12提供点火能量的点火线圈13。此外，在燃烧室25的顶部设置有调节从进气通路23吸入到燃烧室25内的吸入空气量的进气阀10、以及调节从燃烧室25内排出到排气通路14的废气量的排气阀11。进气阀10设有使其阀开闭正时可变的进气可变阀正时机构。排气阀11设有使其阀开闭正时可变的排气可变阀正时机构。进气及排气可变阀正时机构10、11分别具有对阀的开闭正时的相位角进行变更的电动致动器。内燃机1的曲柄轴上设有具有多个齿的旋转板16，并设有输出与旋转板16的旋转相对应的电信号的曲柄角传感器17。

<火花塞12及点火线圈13>

图2示出火花塞12及点火线圈13的电路结构图。火花塞12包括配置在燃烧室25内并产生放电等离子体的火花塞间隙122。火花塞12具备为了抑制无线电噪音而与火花塞间隙122串联连接的电阻121。

点火线圈13包括被提供来自直流电源20的电力的初级线圈131、以及匝数比初级线圈131要多、并产生提供给火花塞12的高压电压的次级线圈132。初级线圈131和次级线圈132卷绕于共同的铁心(core)136。初级线圈131、次级线圈132以及铁心136构成升压变压器。点火线圈13具备对从直流电源20到初级线圈131的通电进行打开或关闭的作为点火器133的开关元件。点火线圈13具备输出与由次级线圈132产生的电压即次级电压V2相对应的电信号的点火线圈电压传感器134。点火线圈电压传感器134设为利用串联连接的两个电阻对次级电压V2进行分压的分压电路，并与火花塞12并联连接。两个电阻的连接点的分压电压被输入到控制装置50。

本实施方式中，初级线圈131的一端与直流电源20的正极相连接，初级线圈131的另一端经由点火器133与地(直流电源20的负极)相连接。通过利用控制装置50对点火器133进行开关控制，从而使从直流电源20到初级线圈131的通电接通或断开。次级线圈132的一端与直流电源20的正极相连，次级线圈132的另一端经由火花塞12接地。此外，次级线圈132的另一端经由作为分压电路的点火线圈电压传感器134接地。控制装置50具备使点火器133打开或关闭的作为点火器驱动电路501的开关元件，点火器驱动电路501根据来自运算处理装置90的指令信号进行动作。

2.控制装置50的结构

接着，对控制装置50进行说明。

控制装置50是以内燃机1为控制对象的控制装置。如图3所示，控制装置50包括点火线圈控制部51、次级电压检测部52、次级电压最小值计算部53、放电等离子体长度计算部54、流动相关值计算部55、流动控制部56、以及点火能量增大部57、缸内流动计算部58等控制部。控制装置50的各控制部51～58等利用控制装置50所具备的处理电路来实现。具体而言，控制装置50如图4所示，作为处理电路，具备CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)等运算处理装置90(计算机)、与运算处理装置90进行数据交换的存储装置91、向运算处理装置90输入外部信号的输入电路92、以及从运算处理装置90向外部输出信号的输出电路93等。

作为运算处理装置90，可以具备ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)、IC(Integrated Circuit：集成电路)、DSP(Digital SignalProcessor：数字信号处理器)、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、各种逻辑电路、以及各种信号处理电路等。此外，作为运算处理装置90，可以具备同种或不同种的多个，并可以分担地执行各处理。作为存储装置91，包括构成为能从运算处理装置90读取并写入数据的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、构成为能从运算处理装置90读取数据的ROM(Read Only Memory：只读存储器)等。输入电路92与各种传感器、开关相连接，并具备将这些传感器、开关的输出信号输入到运算处理装置90的A/D转换器等。输出电路93与电负载相连接，并具备将来自运算处理装置90的控制信号输出到这些电负载的驱动电路等。

然后，运算处理装置90执行存储在ROM等存储装置91中的软件(程序)，并与存储装置91、输入电路92、以及输出电路93等控制装置50的其它硬件进行协作，由此来实现控制装置50所具备的各控制部51～58等的各功能。另外，各控制部51～58等使用的映射数据、判定值等设定数据作为软件(程序)的一部分存储在ROM等存储装置91中。

本实施方式中，输入电路92连接有气流传感器2、节流开度传感器3、歧管压力传感器7、歧管温度传感器8、曲柄角传感器17、大气压力传感器18、点火线圈电压传感器134、油门位置传感器26等。输出电路93连接有节流阀4、喷射器9、进气可变阀正时机构10、排气可变阀正时机构11、点火线圈13、以及EGR阀15等。另外，控制装置50还连接有未图示的各种传感器、开关及致动器等。

控制装置50基于各种传感器的输出信号等来检测内燃机1及车辆的各种运行状态。例如，控制装置50基于曲柄角传感器17等的输出信号来检测内燃机的转速以及曲柄角度。控制装置50基于气流传感器2、歧管压力传感器7等的输出信号计算内燃机的吸入空气量、填充效率、EGR率等。

作为基本的控制，控制装置50基于检测到的运行状态计算燃料喷射量、点火时刻等，并对喷射器9及点火线圈13等进行驱动控制。控制装置50基于油门位置传感器26的输出信号等计算驾驶员所要求的内燃机1的输出转矩，计算实现该要求输出转矩的目标填充效率和目标EGR率等，并对节流阀4的开度、EGR阀15的开度、进气及排气可变阀正时机构10、11的相位角进行控制，以达到目标填充效率以及目标EGR率等。

2-1.点火线圈控制部51

点火线圈控制部51执行点火线圈控制处理(点火线圈控制步骤)，即：对初级线圈131和直流电源20进行通电后切断，以使次级线圈132产生高压电压，并使火花塞间隙122产生火花放电。点火线圈控制部51计算对初级线圈131的通电时间和点火时刻(点火曲柄角度)。点火线圈控制部51计算比点火时刻提前了通电时间的时间点来作为通电开始时刻。然后，点火线圈控制部51在通电开始时刻经由点火器驱动电路501使点火器133打开，使初级线圈131通电。点火线圈控制部51在点火时刻经由点火器驱动电路501使点火器133关闭，将对初级线圈131的通电切断。

点火线圈控制部51也可以构成为参照预先设定了转速及填充效率等运行状态与通电时间的关系的通电时间映射，来计算与当前的转速及填充效率等运行状态相对应的通电时间。或者，点火线圈控制部51也可以构成为参照预先设定了转速及填充效率等运行状态与点火能量的关系的点火能量映射，来计算与当前的转速及填充效率等运行状态相对应的点火能量，并使用点火能量与通电时间的关系式计算通电时间。

此外，点火线圈控制部51也可以构成为参照预先设定了转速及填充效率等运行状态与点火时刻的关系的点火时刻映射，来计算与当前的转速及填充效率等运行状态相对应的点火时刻。或者，点火线圈控制部51也可以构成为利用变更点火时刻的反馈控制来计算点火时刻，以使得基于由压力传感器检测到的、或者根据曲柄角度检测信息推定出的缸内压力计算出的燃烧重心位置接近目标曲柄角度。

<点火时的举动>

对点火时的举动进行说明。在对初级线圈131开始通电后，初级线圈131中流过的初级电流I1逐渐增加。与初级电流I1的大小相对应的磁能量储存在铁心136中。之后，若切断对初级线圈131的通电，则初级电流I1变为零，储存在铁心136中的磁能量使得次级线圈132的电压上升，并使火花塞间隙122之间的电压上升。火花塞间隙122间的电压若超过火花塞间隙122之间的绝缘破坏电压，则会在火花塞间隙122之间引起火花放电。这里，火花放电指绝缘破坏及其之后在火花塞间隙122之间产生的辉光放电或电弧放电引起的所有放电现象。将作为辉光放电或电弧放电中的放电路径而产生的等离子体称为放电等离子体。经由因火花放电而产生的放电等离子体，火花塞间隙122导通，从次级线圈132流过次级电流I2，并利用在火花塞间隙122中释放的能量对燃烧室25内的混合气体进行点火。

2-2.放电等离子体长度L的计算原理

<缸内流动和放电等离子体的举动>

使用图5到图8对如上述那样动作的次级线圈132侧的举动、以及火花塞间隙122中产生的放电等离子体的举动进行说明。图5和图6是表示次级线圈132侧的举动的时序图，图7和图8是表示火花塞间隙122中产生的放电等离子体的示意图。另外，各图中，次级电压V2及次级电流I2产生于负侧，但将绝对值变大的方向设为增加或上升，将绝对值变小的方向设为减少或降低来进行说明。

图5是没有缸内流动、且放电等离子体没有延伸时的次级线圈132侧的举动，如图7所示，放电等离子体在火花塞间隙122中产生的状态下仅稍许摆动，基本的放电等离子体的长度与火花塞间隙122间的距离大致相同。在图5的时刻t0，对初级线圈131的通电被切断。通电切断使得次级电压V2上升到绝缘破坏电压Vbk，从而产生绝缘破坏。次级电压V2下降到绝缘破坏后，在时刻t0之后，成为大致恒定的放电维持电压。次级电流I2在时刻t0发生绝缘破坏后，从0逐步增加，之后以大致恒定的斜率逐渐减少，并在时刻t2变为零。这是因为储存在铁心136中的磁能量因次级电流I2的释放而逐渐降低，使得次级电流I2也逐渐降低。

接着，图6为有缸内流动、且放电等离子体延伸时的次级线圈132侧的举动，如图8所示，放电等离子体在火花塞间隙122中产生后，因缸内流动而逐渐延伸。在图6的时刻t0，对初级线圈131的通电被切断，该通电切断使得次级电压V2上升到绝缘破坏电压Vbk，从而产生绝缘破坏。次级电压V2在绝缘破坏后暂时降低到与没有流动时相同程度的电压，但之后随着放电等离子体的延伸而增加。次级电流I2与没有流动时相比减少得更快，在比没有流动时的时刻t2要早的时刻t2*变为0。这是因为，次级电压V2的上升使得储存在铁心136中的磁能量的每单位时间的释放量增加，从而磁能量的减少变快。关于能量的释放速度[J/s]，由于功耗W＝V2×I2，因此即便次级电流I2相同，若次级电压V2较大，则磁能量的释放变快。

<放电等离子体长度的计算原理>

基于以上说明的点火线圈13的动作及火花塞间隙122中产生的放电现象，对计算放电等离子体长度的方法的考虑方式进行说明。若将放电中的火花塞间隙122之间的电阻(称为间隙电阻)设为Rg，则次级电压V2、次级电流I2、以及间隙电阻Rg之间成立下式的关系。

【数学式1】

V2＝I2·Rg…(1)

若将沿着放电电流的流动的放电等离子体的长度(称为放电等离子体长度)设为L，将以与放电电流的流动正交的平面切断得到的放电等离子体的截面积设为S，并将放电等离子体考虑为电传导率σ的导体，则间隙电阻Rg由下式表示。

【数学式2】

若将式(2)代入式(1)进行变形，则可以得知具有下式的关系。

【数学式3】

<没有流动时>

这里，考虑没有流动(放电等离子体没有延伸)时。如使用图5和图7说明的那样，如果是没有流动的状态，则放电等离子体的长度L大致恒定，该情况下，次级电压V2也大致恒定。由此，根据式(3)，成立下式的关系。

【数学式4】

这里，“Const.”表示恒定值。“σ·S”是放电等离子体的单位长度电导率、即单位长度的电流的易流动性，式(4)示出了若次级电流I2变小，则电流会变得难以流动。另外，其倒数1/(σ·S)指单位长度的电阻。

这里，等离子体处于构成气体的分子发生电离、阳离子和电子分开运动的状态，该电离后的气体包含带电粒子，因此表现出导电性。此外，将气体电离的比率称为电离度η，认为导电性会根据电离度η而变化，因此认为电离度η与电传导率σ相关。而且，认为等离子体的电离度η与发光强度相关，因此认为放电的亮度与电传导率σ也相关。若观测没有流动(没有放电延伸)时的放电等离子体，则可知放电刚开始后较亮较粗的放电等离子体随着次级电流I2的减少而逐渐变暗变细，并在放电结束的同时消失。因此，若如上述那样次级电流I2变小，则设想能观测到电传导率σ与截面积S的积、即σ·S也变小。

<有流动的情况(考虑方式(A))>

接着，考虑有流动的情况。这里，作为考虑方式(A)，考虑在有流动时也应用没有流动时所考虑的式(4)。图9示出放电刚开始后的放电等离子体和放电等离子体延伸中的放电等离子体的示意图。这里，对放电刚开始后的I2、σ、S、L分别在最后附加0从而用I20、σ0、S0、L0表示，对放电等离子体延伸中(放电中)的I2、σ、S、L分别在最后附加1从而用I21、σ1、S1、L1表示。根据式(4)，与放电等离子体长度L无关，I2/(σ·S)为恒定，因此如下式所示，放电刚开始后的I20/(σ0·S0)与放电等离子体延伸中的I21/(σ1·S1)相等。

【数学式5】

根据式(3)，放电刚开始后的次级电压V20与放电等离子体延伸中的次级电压V21分别由式(6)、式(7)表示。

【数学式6】

【数学式7】

若将式(6)、式(7)代入式(5)并进行整理，则可导出下式。

【数学式8】

若该考虑方式正确，则能利用式(8)求出放电等离子体延伸中的放电等离子体长度L1。这里，放电刚开始后的放电等离子体长度L0能假定为与火花塞间隙122之间的长度Lg相等。放电刚开始后的次级电压V20能使用利用图6说明的次级电压V2的举动中放电刚开始后的规定期间的次级电压V2的最低值。这里，测量次级电压V2的最低值是因为次级电压V2的变化中存在一定的延迟。

<有流动的情况(考虑方式(B))>

在考虑方式(A)中，与放电等离子体长度L的变化无关，考虑如式(5)那样I2/σ·S为恒定，但在放电等离子体长度L时刻变化的情况下，很难认为I2/σ·S始终恒定。放电等离子体因火花塞间隙122间的流动而流动并延伸这一情况在短时间内发生，因此也能认为电离后的气体量相同，仅它们的位置发生变化从而导致放电等离子体延伸。图10示出放电等离子体延伸中的极短时间前后的放电等离子体的示意图。这里，放电等离子体延伸中的时刻t1的I2、σ、S、L分别由I21、σ1、S1、L1表示，放电等离子体延伸中的时刻t1的极短时间之前的I2、σ、S、L分别由I21＊、σ1＊、S1＊、L1＊表示。

认为在放电等离子体延伸中的极短时间的前后，放电等离子体的体积恒定，从而成立下式。

【数学式9】

Sl*·Ll*＝Sl.Ll…(9)

而且，由于放电等离子体延伸中，σ1·S1减少的变化和次级电流I21减少的变化不一致，因此认为式(5)的关系不成立。次级电流I21减少的变化起因于铁心136的磁能量的减少，因此认为比截面积S1减少的变化要晚。因此，这里，假定利用极短时间前后的截面积S1＊、S1对次级电流I21进行修正后得到的下式成立。

【数学式10】

假定为式(10)在极短时间前后成立，若将极短时间前替换为放电刚开始后的时刻t0，则变为将式(10)中的“1*”替换为“0”的下式。

【数学式11】

该情况下，根据式(6)、式(7)、式(11)，放电等离子体长度L和次级电压V2的关系如下式那样。

【数学式12】

<有流动的情况(考虑方式(C))>

若对有流动(有放电等离子体的延伸)时的放电等离子体进行可视化观测，则即使放电等离子体延伸，也不会像考虑方式(B)那样越延伸越细，反而更像考虑方式(A)那样，以放电等离子体的粗细几乎不变的方式延伸。然而，若考虑到电离后的气体量没有变化，则也可以认为考虑方式(B)更为正确。因此，虽然放电等离子体如考虑方式(B)那样延伸，但通过气体的新电离会导致试图恢复到与次级电流I2相对应的放电等离子体的截面积，因此也能视为如考虑方式(A)那样放电等离子体在粗细相同的情况下延伸。这样考虑时的放电等离子体延伸中的极短时间前后的示意图如图11所示。该情况下，认为与考虑方式(A)相比，由于新电离的气体的存在，电流相应地更容易流动。将以上内容设为考虑方式(C)。

这里，若将利用考虑方式(A)(B)求出的次级电压与放电等离子体长度的关系式、即式(8)、式(12)写成通式，则成为下式。

【数学式13】

n＝1时表示考虑方式(A)的式(8)，该情况是电流以与放电等离子体不延伸时同样的方式流动、且单位长度的电阻不变化的考虑方式。n＝1/2时表示考虑方式(B)的式(12)，该情况是放电等离子体变细，因此电阻变大、电流变得难以流动的考虑方式。

考虑方式(C)是放电等离子体延伸的情况下存在新电离的气体因此电流比考虑方式(A)更容易流动的考虑方式，因此若电流相比考虑方式(A)流动更多，则设想变为n＞1的关系。这样考虑时的幂指数n具体变为多大的值基于观测数据来计算。计算幂指数n时，能使用刚发生绝缘破坏后规定时间内的次级电压的最小值作为放电刚开始后的次级电压V20，使用火花塞间隙长度Lg作为放电刚开始后的放电等离子体长度L0，使用放电等离子体延伸中的某一时刻的放电等离子体长度L和次级电压V2作为放电等离子体延伸中的放电等离子体长度L1和次级电压V21，并通过下式计算得到。

【数学式14】

若根据本发明的申请人进行的试验结果计算幂指数n的值，则大致为1.0到3.0范围内的值。考虑到该幂指数n的值依赖于内燃机1的运行状态、特别是点火时间点的缸内压力、缸内温度，因此可以根据缸内压力改变幂指数n的值，作为最简单的近似，也可以考虑控制装置50的运算负担而简化为n＝2。

综上所述，放电中的某一时刻的放电等离子体长度L1能在将该时刻的次级电压设为V21时，使用刚发生绝缘破坏后规定时间内的次级电压的最小值作为放电刚开始后的次级电压V20，使用火花塞间隙长度Lg作为放电刚开始后的放电等离子体长度L0并利用式(13)计算得到，作为此时的幂指数n的值，使用1.0到3.0范围内的值即可。另外，在没有流动且放电等离子体不延伸的情况下，次级电压V2恒定，放电等离子体长度L也恒定，因此式(13)成立而与幂指数n的值无关。

2-3.缸内流动速度va的计算原理

<缸内流动和放电等离子体的举动>

接着，对缸内流动速度va的计算原理进行说明。认为可以通过将放电等离子体长度L的时间变化考虑在内，来计算出火花塞附近的气体的流动速度。然而，等离子体处于构成气体的分子发生电离、阳离子和电子分开运动的状态，因此，等离子体中，具有相反符号的电荷的带电粒子受到库仑力而集合在该电荷的周围。因此，位于流场中的等离子体表现出与周围的气体不同的举动。其结果是，并非简单地成为“放电等离子体长度的变化速度＝缸内流动速度”，因此，需要导出放电等离子体长度的变化速度与缸内流动速度的关系。

因此，作为在放电等离子体内作用的库仑力的集合，应用作用于电子管的麦克斯韦应力，使缸内流动速度、放电等离子体的中间部的移动速度及麦克斯韦应力之间的关系模型化，并导出推定缸内流动速度va的关系式。以下，进行详细说明。

图12示出延伸后的放电等离子体简略地模型化为U字型后的示意图。假设火花塞间隙122中的缸内流动方向是与火花塞间隙122的长度方向垂直的方向。假设U字型的放电等离子体由从火花塞间隙122的中心电极122a向缸内流动方向延伸的第1侧部30、从火花塞间隙122的接地电极122b向缸内流动方向延伸的第2侧部31、以及连接第1侧部30的缸内流动方向的前端部与第2侧部31的缸内流动方向的前端部的底部32来构成。假设第1侧部30和第2侧部31的长度因缸内流动而从0起逐渐延伸。假设底部32具有火花塞间隙长度Lg的长度，并相当于放电等离子体的中间部32。

若将放电等离子体的中间部32在缸内流动方向上移动的移动速度设为vp、并将放电开始后的经过时间设为t，则放电等离子体长度L由下式来表示。第1及第2侧部30、31的延伸速度变为与放电等离子体的中间部32的移动速度vp相等。U字型的第1侧部30及第2侧部31的2个部位以移动速度vp延伸，因此，放电等离子体长度L的延伸变为vp·t的2倍。

【数学式15】

L＝Lg+2·vp·t…(15)

另外，认为放电等离子体的中间部32的移动速度vp随着时间变化。即，认为放电刚开始后，移动速度vp≈0。在因缸内流动而作用于放电等离子体的力与在放电等离子体内作用的库仑力相比足够大的情况下，可认为随着时间流逝，成为移动速度vp≈缸内流动速度va。因此，设为放电等离子体的中间部32的移动速度vp在各时刻变化，用离散化后的下式来表示放电等离子体长度L的计算式。这里，Δt是离散化后的时间间隔。m是离散化后的时间序列数据的编号，从放电刚开始后的0起，每经过时间间隔Δt，就逐次增加1。式(16)中，U字型的第1侧部30及第2侧部31的2个部位也以移动速度vp延伸，因此，时间间隔Δt期间的放电等离子体长度L的延伸宽度变为2·vp·Δt的2倍。

【数学式16】

L(m)＝L(m-1)+2·vp(m)·Δt

L(0)＝Lg…(16)

Δt＝t(m)-t(m-l)

根据式(16)，能对每时每刻变化的放电等离子体的中间部32的移动速度vp(m)与放电等离子体长度L(m)的关系进行公式化。对于vp(m)，求解式(16)，从而得到式(17)。根据式(17)，能通过放电等离子体长度L(m)的时间变化来计算放电等离子体的中间部32的移动速度vp(m)。

【数学式17】

vp(0)＝0…(17)

L(0)＝Lg

接着，考虑在放电等离子体内作用的库仑力。放电等离子体中，由放电所产生的能量供给来维持等离子体状态，并且流过用于放电的电流，因此，认为放电等离子体处于由外部提供电场的状态，并且也处于因电子的运动从而在内部也产生电场的状态。若按上述方式来考虑，则可以认为放电等离子体是在空间内施加了漂浮的电场的电子管，并且可知对该电子管施加麦克斯韦应力来作为库仑力的集合的情况。麦克斯韦应力F使用麦克斯韦应力张量T，用下式来表示。

【数学式18】

这里，ε0是真空介电常数，E是电场，n是微小面积dS上的单位法线矢量，角标x、y、z表示笛卡尔坐标系的各分量。另外，虽然这里仅考虑了电场所产生的麦克斯韦应力，但也可以考虑磁场所产生的麦克斯韦应力。

参考图13所示的对施加于电子管的麦克斯韦应力进行说明的示意图，来说明施加于电场方向的力F1、以及施加于相对于电场垂直的方向的力F2。考虑表示微小面积dS1的垂直方向的矢量n1朝向与电场相同的方向，从而可知施加于电场方向的力F1基于式(18)由下式来表示。

【数学式19】

同样地，考虑表示微小面积dS2的垂直方向的矢量n2朝向与电场垂直的方向，从而可知施加于与电场垂直的方向的力F2由下式来表示。

【数学式20】

由此，可知相互吸引的力作用于电场的方向，而相互排斥的方向上的力作用于电场的垂直方向。即，可以说像存在橡胶之类的弹性体那样的力施加于电子管。另外，根据式(19)、式(20)，虽然力的方向不同，但F1、F2单位面积的力的大小均相同。

根据以上内容，计算施加于放电等离子体的麦克斯韦应力的大小pm。这里，为了简单起见仅考虑了外部电场，但也可以将内部电场考虑在内来进行校正。电场的大小E(m)如下式所示，成为将施加于火花塞间隙122的次级电压V2除以放电等离子体长度L后得到的值。

【数学式21】

麦克斯韦应力的大小pm(m)用下式来表示。电子管中，在沿着电子管的方向上，使电子管收缩的pm(m)的张力进行作用，而在与电子管垂直的方向上，施加对电子管的侧面进行按压的-pm(m)的压力，电子管像受到了电应力的弹性体那样进行动作。

【数学式22】

接着，图14中，示出对放电等离子体周围的动量的方程式进行说明的示意图。考虑对周边气体与放电等离子体的中间部32之间的动量进行保存。若将放电等离子体的半径设为r，将周边气体的压力设为p，并将周边气体的密度设为ρ，则在放电等离子体的中间部32的流动方向上游侧的周边气体与放电等离子体的中间部32的边界的区域中，下式成立。

【数学式23】

ρ·A1·vp²-ρ·Al·va²＝p·A1-(p·A1-pm·A1+2·pm·A2)

A1＝2·r·Lg…(23)

A2＝π·r²

这里，A1是在流动方向上观察到的放电等离子体的中间部32的投影面积，A2是放电等离子体的中间部32的截面积。式(23)的左边考虑动量，右边考虑作用于系统的力。在左边，ρ·A1·vp²表示边界处的放电等离子体的动量，ρ·A1·va²表示边界处的周边气体的动量。在右边，第1项的p·A1表示边界处从上游侧的周边气体作用于放电等离子体的气体的压力，第2项的p·A1表示边界处从放电等离子体作用于上游侧的周边气体的气体的压力，第3项的－pm·A1表示在边界处作用于放电等离子体的麦克斯韦应力(压力)。右边第4项的2·pm·A2表示作用于放电等离子体的中间部32的两端部的麦克斯韦应力(张力)，由于作用于两端部，因此成为2倍。

对于va求解式(23)，从而得到下式。通过在放电等离子体的中间部32的移动速度vp的计算中使用式(17)，并在麦克斯韦应力pm的计算中使用式(22)，从而能求出缸内流动速度va。气体密度ρ通过将吸入燃烧室25内的吸入空气量除以根据曲柄角度来决定的燃烧室25的容积来进行计算。这里，换算系数K是由火花塞间隙长度Lg与放电等离子体的半径r来决定的系数。

【数学式24】

式(24)的近似式成为下式。由该近似式可知，缸内流动速度va可以通过对放电等离子体的中间部32的移动速度vp加上与麦克斯韦应力pm相对应的值来计算得到。

【数学式25】

2-4.放电等离子体长度计算部54、缸内流动计算部58等各控制部的结构

使用图15的流程图，对基于以上所说明的放电等离子体长度的计算方法以及缸内流动速度的计算方法的考虑方式来构成的各控制部的处理进行具体说明。

<次级电压检测部52>

步骤1201中，次级电压检测部52执行对由次级线圈132产生的电压即次级电压V2进行检测的次级电压检测处理(次级电压检测步骤)。本实施方式中，次级电压检测部52构成为基于点火线圈电压传感器134的输出信号检测次级电压V2。

具体而言，次级电压检测部52利用输入电路92的A/D转换器对作为点火线圈电压传感器134的分压电路的分压电压进行A/D转换，并基于A/D转换值和分压电阻比检测次级电压V2。次级电压检测部52至少在从点火线圈控制部51将对初级线圈131的通电切断的切断时间点(图5和图6的时刻t0)到放电结束的时间点(图5的时刻t2和图6的时刻t2*)的期间连续地进行A/D转换，并检测次级电压V2。

例如，次级电压检测部52在将对初级线圈131的通电切断的时间点的100μs前开始A/D转换，并每隔50μs连续地进行A/D转换。通常的放电期间t0～t2为1ms～3ms左右，因此，作为进行稍长时间的采样的部件，次级电压检测部52在从A/D转换开始起4ms的期间内进行A/D转换，并检测次级电压V2。然后，次级电压检测部52如图17所示，将各次级电压V2的检测值与采样编号m对应起来，并存储到RAM等存储装置91中。采样编号m从0开始在每次进行A/D转换时增加一。

<次级电压最小值计算部53>

在接下来的步骤1202中，次级电压最小值计算部53基于由次级电压检测部52检测出的次级电压V2执行计算放电期间中的次级电压的最小值V2min的次级电压最小值计算处理(次级电压最小值计算步骤)。另外，本发明中，次级电压V2指次级电压V2的绝对值。

由式(6)等可知，放电刚开始后的次级电压V20根据与放电刚开始后的放电等离子体长度L0相等的火花塞间隙长度Lg、和根据放电刚开始后的气体密度(缸内压力)变化的电传导率σ0而变化。根据上述结构，通过计算放电期间中的次级电压的最小值V2min，能以较高的精度检测每次点火时变动的放电刚开始后的次级电压V20。

例如，次级电压最小值计算部53使采样编号m从A/D转换开始编号起变化为终止编号来反复进行将下式所示那样的、对采样编号m的次级电压V2(m)和上一次处理时的次级电压的最小值V2min取最小值得到的值更新作为本次处理时的次级电压的最小值V2min的处理，由此计算放电期间内的次级电压的最小值V2min。这里，min()表示取最小值的处理。另外，从次级电压的最小值V2min中去除放电期间外的0[V]附近的次级电压V2。

【数学式26】

V2min＝min(V2(m),V2min)…(26)

另外，步骤1202之后的处理通过连续的A/D转换完成后在规定的曲柄角度上的中断处理来进行，例如在A/D转换完成后最初出现的BTDC75degCA的中断处理内进行。

<放电等离子体长度计算部54>

在接下来的步骤1203中，放电等离子体长度计算部54基于次级电压V2以及次级电压的最小值V2min，执行计算放电等离子体的长度即放电等离子体长度L的放电等离子体长度计算处理(放电等离子体长度计算步骤)。由上述放电等离子体长度计算的考虑方式可知，能基于次级电压V2以及次级电压的最小值V2min计算放电等离子体长度L。

本实施方式中，放电等离子体长度计算部54利用式(13)计算放电等离子体长度L。放电等离子体长度计算部54利用式(13)计算放电期间内各时刻的放电等离子体长度L。这里，放电等离子体长度计算部54使用与本实施方式相对应地对式(13)进行修正后得到的下式，基于次级电压的最小值V2min以及各采样编号m的次级电压V2(m)来计算与放电期间内的各时刻相对应的各采样编号m的放电等离子体长度L(m)。即，放电等离子体长度计算部54使采样编号m从A/D转换开始编号起变化到终止编号来反复进行下式的运算，并如图16所示，将各放电等离子体长度L(m)与采样编号m对应起来存储到RAM等存储装置91中。

【数学式27】

这里，将火花塞间隙长度Lg设为预先设定的固定值。幂指数n设为1.0到3.0范围内的值。例如，作为最简单的近似，幂指数n预先设定为2.0的固定值(n＝2)。通过该设定，能降低控制装置50的运算负担。

或者，如上所述，由于幂指数n会根据点火时间点的缸内压力等而变化，因此放电等离子体长度计算部54可以根据与点火时间点的缸内压力相关的内燃机的运行状态使幂指数n在1.0到3.0的范围内变化。例如，放电等离子体长度计算部54参照预先设定了幂指数n和与缸内压力相关的运行状态的关系的幂指数设定映射，计算与当前运行状态相对应的幂指数n。作为与点火时间点的缸内压力相关的运行状态，可以使用填充效率，也可以在填充效率的基础上使用内燃机的转速。或者，作为与点火时间点的缸内压力相关的运行状态，也可以使用根据填充效率、多方(polytrope)关系式等推定出的推定缸内压力。

在接下来的步骤1204中，放电等离子体长度计算部54基于放电期间内的放电等离子体长度L计算放电期间内的放电等离子体长度L的最大值Lmax。例如，放电等离子体长度计算部54使采样编号m从A/D转换开始编号起变化为终止编号来反复进行将下式所示那样的、对采样编号m的放电等离子体长度L(m)和上一次处理时的放电等离子体长度的最大值Lmax取最大值得到的值更新作为本次处理时的放电等离子体长度的最大值Lmax的处理，并计算放电期间内的放电等离子体长度L的最大值Lmax。这里，max()表示取最大值的处理。另外，放电等离子体长度的最大值Lmax在每次点火时被重置为0。

【数学式28】

Lmax＝max(L(m)，Lmax)…(28)

<吹走次数Nr的计算>

在接下来的步骤1205中，放电等离子体长度计算部54基于放电期间内的放电等离子体长度L计算放电期间内的放电等离子体的吹走次数Nr。放电等离子体的吹走是指因缸内流动过强导致放电等离子体被切断，通常在吹走后点火线圈的铁心上残留有能量时会再次发生火花放电(再放电)。因此，在缸内流动较强的情况下，一次点火期间内可能会产生数次放电等离子体的吹走。另外，作为类似现象，存在放电等离子体的路径缩短。这是指在放电等离子体延伸时，伸长的放电等离子体以缠绕的方式接触，导致放电等离子体切换为较短的路径。

图17是表示发生放电等离子体的吹走以及路径缩短时的次级线圈132侧的举动的时序图。图17的时刻t3示出放电等离子体吹走后产生再放电的情况。再放电刚开始后的放电等离子体长度L再次缩短为火花塞间隙长度Lg。在时刻t3，次级电压V2(绝对值)在短时间内上升到绝缘破坏电压Vbk附近，在产生绝缘破坏后，由于开始再放电而降低到最小值V2min。次级电流I2(绝对值)在时刻t3因放电等离子体的吹走而暂时下降到零后，由于再放电的开始而恢复到与磁能量相对应的、与吹走前一刻相同的水平。

时刻t4示出发生路径缩短的情况。刚发生路径缩短后的放电等离子体长度再次缩短到火花塞间隙长度Lg附近。虽然次级电压V2在时刻t4降低为最小值V2min，但无需产生绝缘破坏，因而并未上升。次级电流I2在时刻t4叠加了噪音那样的变动。这里，可以认为放电等离子体的吹走和路径缩短均会同样地对燃烧性造成影响，并计数为吹走次数Nr，但也可设为仅对吹走计数。

在产生放电等离子体的吹走以及路径缩短时，放电等离子体长度瞬间变短。此时，通过式(13)或式(27)计算出的放电等离子体长度L由于次级电压V2降低到最小值V2min附近而瞬间变小。为此，放电等离子体长度计算部54在放电等离子体长度L的时间减少量ΔL大于预先设定的吹走判定值Kjdg的情况下，判定为发生了吹走，并使吹走次数Nr增加1。

放电等离子体长度计算部54使采样编号m从A/D转换开始编号起变化到终止编号来反复进行如下处理，从而计算放电期间内的吹走次数Nr：如下式所示，对将上一次的采样编号(m-1)的放电等离子体长度L(m-1)减去本次的采样编号(m)的放电等离子体长度L(m)计算出的时间减少量ΔL是否大于吹走判定值Kjdg进行判定，在时间减少量ΔL大于吹走判定值Kjdg的情况下，使吹走次数Nr增加1。这里，吹走判定值Kjdg设定为与火花塞间隙长度Lg相同程度到数倍程度的范围内的值即可。另外，吹走次数Nr在每次点火时被重置为0。

【数学式29】

ΔL(m)＝L(m-1)-L(m)

1)ΔL(m)>Kjdg

Nr＝Nr+1…(29)

2)ΔL(m)≤Kjdg

Nr＝Nr

另外，在将吹走次数Nr中因路径缩短引起的次数除去的情况下，在放电等离子体长度L的时间减少量ΔL大于吹走判定值Kjdg的条件的基础上，仅在次级电压V2上升到接近绝缘破坏电压Vbk的值的情况下使吹走次数Nr增加1即可。

通过如上述那样计算吹走次数Nr，除了放电等离子体长度L以外，也能计算与缸内流动相关的值，能提高缸内流动强弱的判定精度。

<缸内流动计算部58>

在接下来的步骤1206中，缸内流动计算部58执行基于放电等离子体长度L的时间变化与放电等离子体的带电粒子受到的库仑力来计算燃烧室内的气体的流动速度即缸内流动速度va的缸内流动计算处理(缸内流动计算步骤)。由上述缸内流动速度计算的考虑方法可知，能够基于放电等离子体长度L的时间变化与放电等离子体的库仑力，来计算缸内流动速度va。

本实施方式中，缸内流动计算部58基于放电等离子体长度L的时间变化，根据因缸内流动而引起的放电等离子体的延伸，计算放电等离子体的中间部32沿缸内流动的方向移动的移动速度vp。例如，使用与根据将放电等离子体模型化为U字型、且U字型的第1侧部30及第2侧部31的2个部位以中间部32的移动速度vp进行延伸而导出的式(17)相同的下式。缸内流动计算部58计算放电等离子体长度L的时间变化率除以2后得到的值，以作为放电等离子体的中间部32的移动速度vp。缸内流动计算部58计算将从本次采样编号(m)的放电等离子体长度L(m)减去之前1个采样编号(m－1)的放电等离子体长度L(m－1)而得到的值除以采样时间间隔Δt，将计算得到的值作为放电等离子体长度L的时间变化率，并计算将该时间变换率除以2后得到的值，以作为本次采样编号(m)的中间部32的移动速度vp(m)。如图16所示，缸内流动计算部58使采样编号m从A/D转换开始编号起变化为终止编号来重复进行移动速度vp的计算，并存储到RAM等存储装置91中。

【数学式30】

如上所述，作为电子管的放电等离子体中，在沿着放电等离子体的方向上，使放电等离子体收缩的麦克斯韦应力pm的张力进行作用，而在与放电等离子体垂直的方向上，施加对放电等离子体的侧面进行按压的麦克斯韦应力pm的压力，放电等离子体像受到了电应力的弹性体那样进行动作。因此，麦克斯韦应力pm作用于根据缸内流动而延伸的放电等离子体。缸内流动计算部58基于次级电压V2及放电等离子体长度L，计算因库仑力而作用于放电等离子体的麦克斯韦应力pm。缸内流动计算部58使用与式(21)、式(22)相同的下式，来计算麦克斯韦应力pm。这里，真空介电常数ε0为预先设定的值。如图16所示，缸内流动计算部58使采样编号m从A/D转换开始编号起变化为终止编号来重复进行麦克斯韦应力pm的计算，并存储到RAM等存储装置91中。

【数学式31】

缸内流动计算部58基于放电等离子体的中间部32的移动速度vp及麦克斯韦应力pm，计算缸内流动速度va。根据该结构，将因作用于放电等离子体的麦克斯韦应力pm的张力等而产生的、缸内流动速度va与放电等离子体的移动速度vp之间的偏移考虑在内，从而能高精度地对缸内流动速度va进行计算。

如上所述，能从关于模型化为U字型的放电等离子体的中间部32的、将麦克斯韦应力pm考虑在内而得到的式(23)的动量的方程式中导出式(24)。缸内流动计算部58使用与式(24)相同的下式的第1式，基于放电等离子体的中间部32的移动速度vp以及麦克斯韦应力pm，来计算缸内流动速度va。

【数学式32】

这里，换算系数K可以预先设定为使用式(32)根据火花塞间隙长度Lg及放电等离子体的半径r而计算出的值，或者，也可以设为基于实验数据调整后得到的适当值。缸内流动计算部58使用表示曲柄角度与燃烧室25的容积之间的几何学关系的特性数据，基于曲柄角度来计算燃烧室25的容积，并将吸入燃烧室25内的吸入空气量除以燃烧室25的容积来计算气体密度ρ。如图16所示，缸内流动计算部58使采样编号m从A/D转换开始编号起变化为终止编号来重复进行缸内流动速度va的计算，并存储到RAM等存储装置91中。

或者，由对式(24)近似后得到的式(25)可知，缸内流动速度va可以通过对放电等离子体的中间部32的移动速度vp加上与麦克斯韦应力pm相对应的值来进行计算。然后，缸内流动计算部58可以构成为计算对放电等离子体的中间部32的移动速度vp加上与麦克斯韦应力pm相对应的值后得到的值，来作为缸内流动速度va。这里，缸内流动速度计算部58可以使用式(25)的右边第2项来计算与麦克斯韦应力pm相对应的值，或者，也可以使用以麦克斯韦应力pm和放电等离子体的中间部32的移动速度vp为变量的其他函数，来计算与麦克斯韦应力pm相对应的值。例如，将函数设为基于实验数据的近似式等。

接着，参照图18的流程图，说明基于放电等离子体长度L、缸内流动速度va等对缸内流动进行操作的处理。

<流动相关值计算部55>

步骤1501中，流动相关值计算部55执行流动相关值计算处理(流动相关值计算步骤)，即：基于放电等离子体长度L及缸内流动速度va中的一方或双方，来计算表示燃烧室25内的流动即缸内流动的强弱的流动相关值Cv。在使用放电等离子体长度L的情况下，流动相关值计算部55基于放电期间内的放电等离子体长度的最大值Lmax来计算流动相关值Cv，该放电期间内的放电等离子体长度的最大值Lmax基于放电期间内的放电等离子体长度L来计算。流动相关值计算部55随着放电期间内的放电等离子体长度的最大值Lmax如图19所示变得比预先设定的火花塞间隙长度Lg要大而使流动相关值Cv逐渐增加。

在使用缸内流动速度va的情况下，流动相关值计算部55基于放电期间内的缸内流动速度va的平均值或最大值等统计处理值来计算流动相关值Cv。如图20所示，流动相关值计算部55随着缸内流动速度va的统计处理值的增加而使流动相关值Cv逐渐增加。

流动相关值计算部55可以使用利用放电等离子体长度L计算出的流动相关值Cv及利用缸内流动速度va计算出的流动相关值Cv中的一方，也可以使用双方的平均值，还可以根据运行条件来切换使用哪一方。

在缸内流动过强而产生放电等离子体的吹走或路径缩短的情况下，放电等离子体长度L因吹走而暂时变短，因此并非缸内流动越强则放电等离子体长度的最大值Lmax越大。此外，在产生吹走或路径缩短时，放电等离子体长度L的时间变化率发生紊乱，缸内流动速度va的计算精度变差。因此，流动相关值计算部55构成为基于放电期间内的放电等离子体长度的最大值Lmax或缸内流动速度va、及吹走次数Nr来计算流动相关值Cv。另外，在能通过缸内流动速度va的统计处理来抑制缸内流动速度va的计算精度的恶化的情况下，在流动相关值Cv的计算中，也可以不考虑吹走次数Nr。

例如，流动相关值计算部55在放电期间内的吹走次数Nr为0次的情况下，如上述那样基于放电期间内的放电等离子体长度的最大值Lmax或缸内流动速度va来计算流动相关值Cv。流动相关值计算部55在放电期间内的吹走次数Nr为1次以上的情况下，基于吹走次数Nr计算流动相关值Cv。这里，将基于吹走次数Nr的流动相关值Cv设定为比后述的强流动判定值Ths要大的值。即，后述的流动控制部56在放电期间内的吹走次数Nr在1次以上的情况下，判定为缸内流动较强。如图19及图20所示，流动相关值计算部55随着放电期间内的吹走次数Nr的增加使流动相关值Cv逐渐增加。

<流动控制部56及点火能量增大部57>

步骤1502到步骤1505中，流动控制部56执行流动控制处理(流动控制步骤)，即：基于流动相关值Cv判定缸内流动是强还是弱，在判定为缸内流动较强的情况下，将能操作缸内流动的流动操作机构控制到减弱流动一侧，在判定为缸内流动较弱的情况下，将流动操作机构控制到增强流动一侧。

本实施方式中，流动控制部56在步骤1502中判定流动相关值Cv是否大于预先设定的强流动判定值Ths，缸内流动是否较强。流动控制部56在步骤1502中判定为流动相关值Cv大于强流动判定值Ths、缸内流动较强的情况下，在步骤1503中将流动操作机构控制到减弱流动一侧。

本实施方式中，流动操作机构设为能变更进气阀10及排气阀11的开闭正时的可变阀正时机构，流动控制部56在步骤1503中使进气阀10的开闭正时的相位角以及排气阀11的开闭正时的相位角向缸内流动减弱的方向变化。流动控制部56参照预先设定了转速及填充效率等运行状态、与用于减弱缸内流动的进气阀及排气阀的相位角的关系的相位角映射，计算与当前运行状态相对应的用于减弱缸内流动的进气阀及排气阀的相位角。并且，流动控制部56使进气阀及排气阀的相位角向用于减弱缸内流动的进气阀及排气阀的相位角变化。

此外，点火能量增大部57在步骤1503中判定为缸内流动较强的情况下，指令点火线圈控制部51增大提供给火花塞12的点火能量。具体而言，点火能量增大部57指令点火线圈控制部51使通电时间从根据运行状态计算出的值起增加。若延长通电时间，则由初级线圈131储存在铁心136内的磁能量增大，因此次级电流I2增大。该情况下，如式(4)所考虑的那样，放电等离子体的截面积S也变大，因此放电等离子体难以吹走，提高了混合气体的点火性。

另一方面，流动控制部56在步骤1502中判定为流动相关值Cv不大于强流动判定值Ths的情况下，进入步骤1504，判定流动相关值Cv是否比预先设定为强流动判定值Ths以下的值的弱流动判定值Thw要小，缸内流动是否较弱。流动控制部56在步骤1504中判定为流动相关值Cv小于弱流动判定值Thw、缸内流动较弱的情况下，在步骤1505中将流动操作机构(进气阀及排气阀的相位角)控制到增强流动一侧。

本实施方式中，流动控制部56在步骤1505中使进气阀10的开闭正时的相位角及排气阀11的开闭正时的相位角向缸内流动变强的方向变化。流动控制部56参照预先设定了转速及填充效率等运行状态、与用于增强缸内流动的进气阀及排气阀的相位角的关系的相位角映射，计算与当前运行状态相对应的用于增强缸内流动的进气阀及排气阀的相位角。并且，流动控制部56使进气阀及排气阀的相位角向用于增强缸内流动的进气阀及排气阀的相位角变化。

另外，点火能量增大部57在步骤1504中判定为缸内流动较弱的情况下，不改变提供给火花塞12的点火能量。即，通电时间维持在根据运行状态算出的值。

另一方面，流动控制部56在步骤1504中判定为流动相关值Cv不小于弱流动判定值Thw的情况下，判定为缸内流动不强也不弱，处于中间的流动状态。并且，流动控制部56不使流动操作机构(进气阀及排气阀的相位角)向减弱一侧或增强一侧变化，结束处理。点火能量增大部57也不改变点火能量。

如上所述，推定放电等离子体长度L及缸内流动速度va，并基于推定出的放电等离子体长度L及缸内流动速度va中的一方或双方来控制缸内流动、点火能量，从而在例如高稀释燃烧那样的稳定燃烧区域较小的燃烧时也能确保良好的燃烧性。

[其他实施方式]

最后，对本发明的其他实施方式进行说明。此外，以下所说明的各实施方式的结构并不仅限于分别单独地使用的情况，只要不产生矛盾，也能够与其他实施方式的结构进行组合来使用。

(1)上述实施方式1中，以次级电压检测部52构成为基于直接检测次级电压V2的点火线圈电压传感器134的输出信号来检测次级电压V2的情况为例进行了说明。然而，由于次级电压V2变为非常高的电压，因此若将该电压引入控制装置50，则会产生较大的噪音，控制装置50可能会产生误动作，需要噪音对策。因此，次级电压检测部52也可以构成为检测由初级线圈131产生的电压即初级电压V1，并基于初级电压V1检测次级电压V2。

图21示出该情况的火花塞12及点火线圈13的电路结构图。点火线圈13具备输出与由初级线圈131产生的电压即初级电压V1相对应的电信号的点火线圈电压传感器138。点火线圈电压传感器138设为利用串联连接的两个电阻对初级电压V1进行分压的分压电路，并与点火器133并联连接。两个电阻的连接点的分压电压被输入到控制装置50。

初级线圈131的一端与直流电源20的正极相连接，初级线圈131的另一端经由点火器133与地相连接。此外，初级线圈131的另一端经由作为分压电路的点火线圈电压传感器138接地。次级线圈132的一端与直流电源20的正极相连接，次级线圈132的另一端经由火花塞12接地。

次级电压检测部52利用输入电路92的A/D转换器对作为点火线圈电压传感器134的分压电路的分压电压进行A/D转换，并基于A/D转换值和分压电阻比来检测初级电压V1。然后，次级电压检测部52如下式所示，对检测到的初级电压V1乘以初级线圈131与次级线圈132的匝数比N，将得到的值检测作为次级电压V2。匝数比N是将次级线圈132的匝数除以初级线圈131的匝数得到的值，并且是预先设定的。

【数学式33】

V2＝V1·N…(33)

根据该结构，由于将电压比次级电压V2要低的初级电压V1引入控制装置50，因此能进行噪声抑制，与实施方式1相比能减轻电压检测的噪音对策。

(2)上述实施方式1中，以流动操作机构设为能变更进气阀10及排气阀11的开闭正时的可变阀正时机构的情况为例进行了说明。然而，本发明的实施方式并不局限于此。即，流动操作机构只要是能操作缸内流动的机构即可，可以是任何机构，可以具备一个或多个流动操作机构，并基于流动相关值Cv进行控制。例如，流动操作机构可以是将进气端口的一部分堵住并在燃烧室25内产生涡流或滚流的进气端口阀。控制装置50控制电动致动器来改变进气端口阀的开度。

产生旋流的进气端口阀通常被称为涡流控制阀，例如仅将两个进气端口的一侧堵住，能对燃烧室25内的横向涡(涡流)流动的强弱进行操作。产生滚流的进气端口阀通常被称为翻转控制阀，例如仅将进气端口的上侧或下侧堵住，能对燃烧室25内的纵向涡(翻滚)流动的强弱进行操作。

流动控制部56在判定为流动较强的情况下，使进气端口阀的开度向减弱流动一侧(例如打开一侧)变化，在判定为流动较弱的情况下，使进气端口阀的开度向增强流动一侧(例如打开一侧)变化。

(3)上述实施方式1中，以放电等离子体长度计算部54构成为利用式(13)或式(27)计算放电等离子体长度L的情况为例进行了说明。然而，本发明的实施方式并不局限于此。即，放电等离子体长度计算部54只要基于次级电压V2和次级电压的最小值V2min来计算放电等离子体长度L，则也可以使用其它方法。例如，放电等离子体长度计算部54也可以构成为参照预先设定了次级电压V2及次级电压的最小值V2min(例如V2/V2min)与放电等离子体长度L的关系的等离子体长度映射，计算与本次的次级电压V2以及次级电压的最小值V2min相对应的放电等离子体长度L。

(4)上述实施方式1中，以流动控制部56构成为在流动相关值Cv大于强流动判定值Ths的情况下，将流动操作机构向减弱流动的一侧进行控制，在流动相关值Cv小于弱流动判定值Thw的情况下，将流动操作机构向增强流动的一侧进行控制的情况为例进行了说明。然而，本发明的实施方式并不局限于此。即，只要流动控制部56基于流动相关值Cv判定缸内流动的强弱，在判定为流动较强的情况下，将流动操作机构向减弱流动的一侧进行控制，在判定为流动较弱的情况下，将流动操作机构向增强流动的一侧进行控制，则可以使用任何方法。例如，流动控制部56可以根据目标流动相关值和流动相关值Cv的偏差，改变流动操作机构向增强流动一侧或减弱流动一侧的操作量。

本发明可以在其发明范围内对各实施方式进行自由组合，或者对各实施方式适当地进行变形、省略。

Claims

1.一种内燃机的控制装置，该内燃机包括：火花塞，该火花塞具有配置在燃烧室内的火花塞间隙；以及点火线圈，该点火线圈具有被提供有来自直流电源的电力的初级线圈及匝数比所述初级线圈要多、且产生提供给所述火花塞的高压电压的次级线圈，所述内燃机的控制装置的特征在于，包括：

放电等离子体长度计算部，该放电等离子体长度计算部基于所述次级电压及所述次级电压的最小值，计算放电等离子体的长度；以及

缸内流动计算部，该缸内流动计算部基于所述放电等离子体的长度的时间变化与所述放电等离子体的带电粒子受到的库仑力，计算所述燃烧室内的气体的流动速度即缸内流动速度。

2.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述缸内流动计算部基于所述放电等离子体的长度的时间变化，根据因缸内流动而引起的所述放电等离子体的延伸，计算所述放电等离子体的中间部沿缸内流动的方向移动的移动速度，

基于所述次级电压及所述放电等离子体的长度，计算因所述库仑力而作用于所述放电等离子体的麦克斯韦应力，

基于所述放电等离子体的中间部的所述移动速度及所述麦克斯韦应力，计算所述缸内流动速度。

3.如权利要求2所述的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述缸内流动计算部计算所述放电等离子体的长度的时间变化率除以2后得到的值，以作为所述放电等离子体的中间部的所述移动速度，

将所述麦克斯韦应力设为pm，将所述次级电压设为V2，将所述放电等离子体的长度设为L，将预先设定的真空介电常数设为ε0，利用

pm＝1/2×ε0×(V2/L)²

这一计算式，计算所述麦克斯韦应力。

4.如权利要求2或3所述的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述缸内流动计算部计算所述放电等离子体的中间部的所述移动速度加上与所述麦克斯韦应力相对应的值后得到的值，以作为所述缸内流动速度。

5.如权利要求2或3所述的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述缸内流动计算部将所述缸内流动速度设为va，将所述放电等离子体的中间部的所述移动速度设为vp，将所述麦克斯韦应力设为pm，将所述燃烧室内的气体的密度设为ρ，将预先设定的换算系数设为K，利用

这一计算式，计算所述缸内流动速度。

6.如权利要求1至5的任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述放电等离子体长度计算部将所述放电等离子体的长度设为L，将所述次级电压设为V2，将所述次级电压的最小值设为V20，将预先设定的所述火花塞间隙的长度设为Lg，将设定为1.0到3.0的范围内的值的幂指数设为n，利用

L＝Lg×(V2/V20)ⁿ

这一计算式，计算所述放电等离子体的长度。

7.如权利要求6所述的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述幂指数设定为2.0。

8.如权利要求6所述的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述放电等离子体长度计算部根据与点火时间点的所述燃烧室内的压力相关的内燃机的运行状态，使所述幂指数在1.0到3.0的范围内变化。

9.如权利要求1至8的任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，还包括：

流动相关值计算部，该流动相关值计算部基于所述缸内流动速度计算表示所述燃烧室内的流动的强弱的流动相关值；以及

流动控制部，该流动控制部基于所述流动相关值判定所述燃烧室内的流动是强还是弱，在判定为流动较强的情况下，将能对所述燃烧室内的流动进行操作的流动操作机构向减弱流动一侧进行控制，在判定为流动较弱的情况下，将所述流动操作机构向增强流动一侧进行控制。

10.如权利要求1至9的任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，还包括：

点火能量增大部，该点火能量增大部基于所述流动相关值判定所述燃烧室内的流动是强还是弱，在判定为流动较强的情况下，指令所述点火线圈控制部增大提供给所述火花塞的点火能量。

11.如权利要求9或10所述的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述放电等离子体长度计算部基于放电期间内的所述放电等离子体的长度，计算放电期间内所述放电等离子体被切断的次数、即吹走次数，

所述流动相关值计算部基于所述缸内流动速度及所述吹走次数，计算所述流动相关值。

12.如权利要求9所述的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述流动操作机构是能对进气阀及排气阀的开闭正时进行变更的可变阀正时机构、以及将进气端口的一部分堵住以在所述燃烧室内产生涡流或滚流的进气端口阀的一方或双方。

13.如权利要求1至12的任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述次级电压检测部对由所述初级线圈产生的电压进行检测，将所述初级线圈的电压乘以所述初级线圈和所述次级线圈的匝数比得到的值检测作为所述次级电压。

14.一种内燃机的控制方法，

该内燃机包括：火花塞，该火花塞具有配置在燃烧室内的火花塞间隙；以及点火线圈，该点火线圈具有被提供有来自直流电源的电力的初级线圈及匝数比所述初级线圈要多、且产生提供给所述火花塞的高压电压的次级线圈，所述内燃机的控制方法的特征在于，执行如下步骤：

放电等离子体长度计算步骤，该放电等离子体长度计算步骤中，基于所述次级电压及所述次级电压的最小值，计算放电等离子体的长度；以及

缸内流动计算步骤，该缸内流动计算步骤中，基于所述放电等离子体的长度的时间变化与所述放电等离子体的带电粒子受到的库仑力，计算所述燃烧室内的气体的速度即缸内流动速度。