JP2010101173A - Method for controlling operation of spark-ignition internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の運転制御方法に関するものである。 The present invention relates to an operation control method for a spark ignition type internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting plasma generated in a combustion chamber by electromagnetic waves with spark discharge by an ignition plug.
従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、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あって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a spark ignition internal combustion engine mounted on a vehicle, particularly an automobile, an air-fuel mixture in a combustion chamber is ignited at each ignition timing by spark discharge between a center electrode and a ground electrode of a spark plug. In such ignition by an ignition plug, for example, in an internal combustion engine of a type in which fuel is directly injected into a cylinder, if the injected fuel is not distributed at the spark discharge position of the ignition plug, it rarely occurs.
このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献1に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。
ところで、特許文献1のようにプラズマを使用して混合気の着火を改善した場合にあっても、例えば吸入空気の充填バラツキや経時劣化による燃焼バラツキなどにより、回転変動を生じる場合がある。このように、回転変動が生じた場合、一般的には、バラツキを抑えるため燃焼状態の良好な気筒に対して、例えばトルクを下げるように点火時期を調整する制御を行っている。 By the way, even when the ignition of the air-fuel mixture is improved by using plasma as in Patent Document 1, rotation fluctuation may occur due to, for example, intake air filling variation or combustion variation due to deterioration over time. As described above, when the rotational fluctuation occurs, generally, control is performed to adjust the ignition timing so as to reduce the torque, for example, for the cylinder in a good combustion state in order to suppress variation.
ところが、このような構成のものであると、プラズマを利用して安定した火炎を得られるようにしているにもかかわらず、燃焼状態の低下している気筒の状態に合わせるように、燃焼状態の良好な気筒のトルクを調整するため、プラズマを利用している特性を十分に活用し得ない場合が生じた。 However, with such a configuration, the combustion state of the combustion state is adjusted so as to match the state of the cylinder where the combustion state is lowered, although a stable flame can be obtained using plasma. In order to adjust the torque of a good cylinder, there was a case where the characteristics using plasma could not be fully utilized.
そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。 Therefore, the present invention aims to eliminate such problems.
すなわち、本発明の火花点火式内燃機関の運転制御方法は、燃焼室を備える複数の気筒を備え、電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の運転状態により電磁波の出力を制御する火花点火式内燃機関の運転制御方法であって、各気筒の燃焼状態を検出し、検出した燃焼状態の最も低下している気筒に対する電磁波の出力を大にすることを特徴とする。 That is, the spark ignition type internal combustion engine operation control method of the present invention includes a plurality of cylinders having combustion chambers, and reacts plasma generated in the combustion chambers by electromagnetic waves and spark discharge by the spark plug to ignite the mixture. An operation control method for a spark ignition type internal combustion engine that controls the output of electromagnetic waves according to the operation state of the spark ignition type internal combustion engine, wherein the combustion state of each cylinder is detected, and the detected combustion state is the least It is characterized by increasing the output of electromagnetic waves.
このような構成によれば、燃焼状態の最も低下している気筒に対して電磁波の出力を大にすることにより、その気筒のプラズマの生成状態が改善される。その結果、その気筒の燃焼状態が改善されて、トルクが残る気筒のトルクに近づくものとなる。それゆえ、気筒間のトルクのばらつきが解消されて、回転変動を収拾することが可能になる。 According to such a configuration, the generation state of plasma in the cylinder is improved by increasing the output of the electromagnetic wave to the cylinder in which the combustion state is the lowest. As a result, the combustion state of the cylinder is improved and approaches the torque of the cylinder where the torque remains. Therefore, variation in torque between cylinders is eliminated, and rotational fluctuations can be collected.
本発明は、以上説明したような構成であり、燃焼状態の最も低下している気筒に対して電磁波の出力を大にすることにより、その気筒のプラズマの生成状態を改善することができ、その結果、その気筒の燃焼状態が改善されて、トルクが残る気筒のトルクに近づき、気筒間のトルクのばらつきが解消されて、回転変動を収拾することができる。 The present invention is configured as described above, and by increasing the output of electromagnetic waves to the cylinder in which the combustion state is the lowest, the plasma generation state of the cylinder can be improved. As a result, the combustion state of the cylinder is improved, approaching the torque of the cylinder where the torque remains, the variation in torque between the cylinders is eliminated, and rotational fluctuations can be collected.
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に概略的に示したエンジン100は、自動車用の火花点火式4サイクル4気筒のもので、その吸気系1には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ2が配設され、その下流側にはサージタンク3が設けられている。サージタンク3に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁5が設けてあり、その燃料噴射弁5を、電子制御装置6により制御するようにしている。燃焼室30を形成するシリンダヘッド31には、吸気弁32及び排気弁33が配設されるとともに、火花を発生するとともにイオン電流を検出するための電極となる点火プラグ18が取り付けてある。また排気系20には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのO2 センサ21が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された触媒装置である三元触媒22の上流の位置に取り付けられている。なお、図1にあっては、エンジン100の1気筒の構成を代表して図示している。
An
電子制御装置6は、中央演算処理装置7と、記憶装置8と、入力インターフェース9と、出力インターフェース11と、A/Dコンバータ10とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェース9には、サージタンク3内の圧力すなわち吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ13から出力される吸気圧信号a、エンジン100の回転状態を検出するためのカムポジションセンサ14から出力される気筒判別信号G1とクランク角度基準位置信号G2とエンジン回転数信号b、車速を検出するための車速センサ15から出力される車速信号c、スロットルバルブ2の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ16から出力されるIDL信号d、エンジン100の冷却水温を検出するための水温センサ17から出力される水温信号e、上記したO2 センサ21から出力される電流信号h等が入力される。一方、出力インターフェース11からは、燃料噴射弁5に対して燃料噴射信号fが、また点火プラグ18に対してイグニションパルスgが出力されるようになっている。
The
この点火プラグ18には、イオン電流を測定するためのバイアス用電源24が接続され、入力インターフェース9とこのバイアス電源24との間にはイオン電流測定用回路25が接続されている。点火プラグ18、バイアス用電源24及びイオン電流測定用回路25によりイオン電流検出系40が構成される。バイアス用電源24は、プラズマを生成する時に点火プラグ18にイオン電流測定のための測定用電圧(バイアス電圧)を印加するものである。そして、測定用電圧の印加により、燃焼室30の内壁と点火プラグ18の中心電極との間、及び点火プラグ18の電極間に流れたイオン電流は、イオン電流測定用回路25により測定される。このようなバイアス用電源24とイオン電流測定用回路25とは、当該分野でよく知られている種々のものを適用することができる。
A
このようなイオン電流検出系40に加えて、燃焼室30内にプラズマを生成するために、点火プラグ18の中心電極には、電磁波例えばマイクロ波が供給される。マイクロ波は、マグネトロン50とマグネトロン50を制御する制御回路51とを備えてなる高圧交流発生装置52から出力される。制御回路51には、電子制御装置6から出力される高圧交流発生信号kが入力される構成である。マイクロ波を点火プラグ18まで伝送する伝送経路53については、よく知られたものを用いることができ、例えばマグネトロン50に電気的に接続される導波管と、その導波管と点火プラグ18の中心電極とを電気的に接続する同軸ケーブル及び同軸分配器と、それぞれの気筒に対応して設けられて各点火プラグ18に伝送される連続可変減衰器とで構成される。したがって、中心電極がマイクロ波を放射するアンテナとして機能する。制御回路51は、入力される高圧交流発生信号に基づいてマグネトロン50の出力、つまりマグネトロン50が出力するマイクロ波の出力時期及び出力電力を制御するものである。マグネトロン50の出力は、エンジン100の運転状態に応じて調整されるものである。
In addition to such an ion
以上の構成において、電子制御装置6には、吸気圧センサ13から出力される吸気圧信号aとカムポジションセンサ14から出力される回転数信号bとを主な情報とし、エンジン100の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間(基本噴射量)を補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間Tを決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁5を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を吸気系1に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。また、このようにエンジン100の燃料噴射を制御する一方、電子制御装置6は、各気筒の燃焼状態を検出し、検出した燃焼状態の最も低下している気筒に対するマイクロ波の出力を大にするようにプログラミングしてある。
In the above-described configuration, the
このエンジン100にあっては、通常の運転状態では高圧交流発生装置52が発生するマイクロ波を出力時期に合わせて点火プラグ18の中心電極から燃焼室30内に放射し、それにより生成されるプラズマと点火プラグ18による火花放電とを反応させて、混合気に着火するように構成されている。プラズマを生成する場合、マイクロ波が中心電極に印加されることにより、燃焼室30内には、点火プラグ18による火花放電に対して高周波電界が形成される。
In this
点火に際しては、点火プラグ18に点火コイル(図示しない)により火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室30内の混合気を急速に燃焼させる構成である。
At the time of ignition, a spark discharge is generated in the
具体的には、点火プラグ18による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。
Specifically, the spark discharge by the
これは、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、高周波電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、OHラジカルやNラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に火炎が大きくなるものである。 This is because the flow of electrons due to the spark discharge and the ions and radicals generated by the spark discharge oscillate and meander due to the influence of the high-frequency electric field, resulting in a longer path length and the number of collisions with surrounding water and nitrogen molecules. This is due to a dramatic increase. Water molecules and nitrogen molecules that have been struck by ions and radicals become OH radicals and N radicals, and the surrounding gas that has been struck by ions and radicals is ionized, in other words, a plasma state. The flame will increase dramatically.
この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電により混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ18のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室30内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。
As a result, the air-fuel mixture is ignited by the spark discharge increased by reacting with the high-frequency electric field, so that the ignition region is expanded and the two-dimensional ignition of only the
以上のような混合気の着火制御によりエンジン100を運転している間に、各気筒において混合気の燃焼時つまり燃焼行程において燃焼室30に発生するイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいて各気筒の燃焼状態を検出して、エンジン100のトルク変動を抑制するものである。次に、図2に示すフローチャートにより、この実施形態を説明する。
While the
図2において、ステップS1において、点火順に、各気筒のイオン電流を検出する。イオン電流は、燃焼の開始直後に点火プラグ18の中心電極により検出されるもので、燃焼状態が良好であると、ピストンが上死点に達した直後の時間に最大電流値となり、その後は減少するものである。したがって、イオン電流のこのような特性を検出して、燃焼状態を把握することができる。
In FIG. 2, in step S1, the ion current of each cylinder is detected in the order of ignition. The ion current is detected by the center electrode of the
4気筒において、イオン電流の検出が完了すると、ステップS2では、検出したイオン電流を比較して、その中のイオン電流値が最小であった気筒を判定する。すなわち、イオン電流値が最小であることは、そのイオン電流値を検出した気筒における燃焼状態が、他の気筒と比較して低下していることを示すものである。 When the detection of the ionic current is completed in the four cylinders, in step S2, the detected ionic currents are compared, and the cylinder having the smallest ionic current value is determined. That is, the minimum ion current value indicates that the combustion state in the cylinder in which the ion current value is detected is lower than that in other cylinders.
ステップS2において、燃焼状態が最も低下している気筒に対するマイクロ波の出力を増大する。この実施形態においては、伝送経路53に連続可変減衰器を設けているので、対象となる気筒の出力が増大するように、その気筒の連続可変減衰器を制御する。つまり、連続可変減衰器それぞれは、初期状態において同一の減衰率に設定してある。エンジン100の運転の開始後、燃焼状態が最小となった気筒の連続可変減衰器の減衰率を減少させる。この結果、連続可変減衰器においてマイクロ波の出力が減衰される量あるいは率が小さくなり、実質的に、連続可変減衰器の調整以前よりも大なる出力のマイクロ波が点火プラグ18の中心電極に伝送される。
In step S2, the microwave output for the cylinder having the lowest combustion state is increased. In this embodiment, since the continuous variable attenuator is provided in the
以上の構成において、エンジン100を運転している場合に、トルク変動が生じると、イオン電流の特性に基づいて各気筒の燃焼状態を判定し、最も燃焼状態が低下している気筒に対して、マイクロ波の出力を増大するように制御するものである。
In the above configuration, when the
したがって、各気筒間でばらつきのある燃焼状態の内、最も燃焼状態が低下している気筒の対するマイクロ波の出力が大きくなることにより、プラズマの生成状態が改善され、その気筒の燃焼状態を向上させることができる。このように、燃焼状態が最も低下している気筒の燃焼状態を向上させることにより、各気筒の燃焼状態が、最も燃焼状態がよい気筒に近づき、気筒間のトルクの差が小さくなるため、エンジン100全体としてのトルクを落とすことなくトルク変動を抑制することができる。 Therefore, among the combustion states that vary among the cylinders, the microwave output to the cylinder with the lowest combustion state is increased, thereby improving the plasma generation state and improving the combustion state of the cylinder. Can be made. In this way, by improving the combustion state of the cylinder in which the combustion state is the lowest, the combustion state of each cylinder approaches the cylinder with the best combustion state, and the difference in torque between the cylinders is reduced. Torque fluctuations can be suppressed without reducing the torque as a whole.
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment.
上述の実施形態においては、燃焼状態をイオン電流の電流値により判定したが、検出したイオン電流が閾値を上回っている期間の時間あるいはクランク角度により判定するものや、イオン電流の測定を開始した後の所定期間内におけるイオン電流値の積分値により検出するものなどであってもよい。このような、イオン電流の特性から燃焼状態をイオン電流似より判定することは、この分野で知られている方法を用いるものであってよい。 In the above-described embodiment, the combustion state is determined by the current value of the ion current. However, it is determined by the time or crank angle during which the detected ion current exceeds the threshold, or after the measurement of the ion current is started. It may be one that is detected by an integral value of ion current values within a predetermined period. Such determination of the combustion state from the ion current characteristics from the characteristics of the ion current may be performed using a method known in this field.
また、燃焼状態を検出するものとしては、それぞれの気筒に圧力センサを取り付け、各気筒における燃焼行程の気筒内圧力を比較して行うものであってよい。すなわち良好な燃焼状態の気筒にあっては、気筒内圧力が高くなり、緩慢な燃焼状態つまり燃焼状態が低下している気筒にあっては気筒内圧力が低くなることから、それぞれの圧力センサから出力される出力信号を比較することで燃焼状態が最も低下している気筒を判定し得るものである。 Further, the detection of the combustion state may be performed by attaching a pressure sensor to each cylinder and comparing the in-cylinder pressure of the combustion stroke in each cylinder. That is, in a cylinder with good combustion state, the pressure in the cylinder is high, and in a slow combustion state, that is, in a cylinder in which the combustion state is low, the pressure in the cylinder is low. By comparing the output signals that are output, it is possible to determine which cylinder has the lowest combustion state.
さらに、エンジン100の回転変動を検出して、燃焼状態が最も低下している気筒を判定するものであってもよい。すなわち、エンジン100に回転変動が発生している場合、つまり気筒毎にトルクが異なっている場合、燃焼状態が良好な気筒にあってはトルクが大きいためにクランク軸の回転角速度は大きくなる。これに対して、燃焼状態が最も低下している気筒にあっては、トルクも良好な気筒に対して小さくなるので、回転角速度は小さくなる。したがって、各気筒の燃焼行程毎にその時の回転角速度を比較することにより、最も小さい回転角速度の気筒を、燃焼状態が最も低下している気筒と判定することができる。
Furthermore, the rotation fluctuation of the
加えて、上述の実施形態においては、連続可変減衰器を用いて、各気筒に伝送するマイクロ波の出力を調整したが、伝送経路にそれぞれの気筒に対応する導波管を備え、それぞれの導波管を可変長とすることによりマイクロ波の出力を調整するものであってもよい。すなわち、伝送経路を構成する導波管それぞれが、その長さを調整することにより、導波管のインピーダンスが変更されて、マイクロ波の出力を調整するものである。導波管の管長は、例えばステッピングモータを用いて調整するものである。それぞれの導波管は、燃焼室に連通するもので、燃焼室に開口される端部は、誘電体により閉鎖してある。 In addition, in the above-described embodiment, the output of the microwave transmitted to each cylinder is adjusted using a continuously variable attenuator. However, a waveguide corresponding to each cylinder is provided in the transmission path, and each waveguide is provided. The microwave output may be adjusted by making the wave tube variable. That is, by adjusting the length of each waveguide constituting the transmission path, the impedance of the waveguide is changed and the output of the microwave is adjusted. The tube length of the waveguide is adjusted using, for example, a stepping motor. Each waveguide communicates with the combustion chamber, and the end opened to the combustion chamber is closed by a dielectric.
マイクロ波を燃焼室30に放射するためのアンテナとしては、燃焼室30に突出して設けるモノポール型アンテナあるいはホーン型アンテナなどであってもよい。
The antenna for radiating microwaves to the
又、高圧交流発生装置としては、上述のようなマグネトロンに代えて、進行波管などであってよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。 Further, the high-voltage AC generator may be a traveling wave tube or the like instead of the above-described magnetron, and may further include a semiconductor microwave oscillation circuit.
さらには、点火プラグ18の中心電極をアンテナとして機能させて、高周波給電部とする場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。
Further, when the center electrode of the
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、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。 As an application example of the present invention, it can be used for a spark ignition type internal combustion engine that uses gasoline or liquefied natural gas as fuel and requires spark discharge by an ignition plug for ignition.
6…電子制御装置
7…中央演算処理装置
8…記憶装置
9…入力インターフェース
11…出力インターフェースと、
50…マグネトロン
51…制御回路
52…高圧交流発生装置
18…点火プラグ
30…燃焼室
6 ...
DESCRIPTION OF
Claims (1)
各気筒の燃焼状態を検出し、
検出した燃焼状態の最も低下している気筒に対する電磁波の出力を大にする火花点火式内燃機関の運転制御方法。 It has a plurality of cylinders with combustion chambers, and controls the output of electromagnetic waves according to the operating state of a spark ignition internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting plasma generated in the combustion chambers by electromagnetic waves and spark discharge by spark plugs. An operation control method for a spark ignition internal combustion engine,
Detect the combustion state of each cylinder,
An operation control method for a spark ignition type internal combustion engine that increases an electromagnetic wave output to a cylinder in which the detected combustion state is the lowest.
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Legal Events
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Effective date: 20110627 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
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Effective date: 20120515 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
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A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120625 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20121113 |