JP2010270696A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】着火性の低下やコストを増大させることなく、要求二次電圧を耐電圧限界よりも低くする。
【解決手段】エンジン１００の運転状態を検知する手段７１、７２と、燃焼室１３内で点火プラグ５１の放電ギャップに火花を発生させるのに要する要求二次電圧が点火プラグ５１の耐電圧限界を超えるか否かを運転状態に基づいて判定する要求二次電圧判定手段５５と、燃料噴射量及び燃料噴射タイミングを運転状態に基づいて制御する燃料噴射制御手段５５と、を備え、要求二次電圧が耐電圧限界を超えると判定された場合には、燃料噴射制御手段５５により、筒内の少なくとも放電ギャップ周辺が、点火タイミングにおいて要求二次電圧が耐電圧限界以下になる空燃比となるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の点火制御装置に関する。

近年、車両用の内燃機関では出力や燃費を向上させるために、エンジンの充填効率及び圧縮比を高めることで、燃焼の高熱効率化を図ることが行われている。

しかし、充填効率及び圧縮比は、点火プラグの放電ギャップにおいて空気を絶縁破壊して電流を流すために必要な電圧、つまり火花を発生させるのに要する電圧（以下、要求二次電圧という）と相関があり、高充填効率化や高圧縮比化が進むと要求二次電圧が増大し、点火プラグの耐電圧限界を超えてしまうという問題が生じる。

この問題を解決するために、特許文献１には、ギャップ間隔を縮小することで要求二次電圧を低く抑える構成が開示されている。また、特許文献１に開示された構成では、中心電極及び接地電極に貴金属チップを用いることで、狭いギャップ間隔においてさらに二次要求電圧の低減を図っている。

特開２００２−２６０８１５号公報

しかしながら、ギャップ間隔を狭めるほど着火性が低下するという問題がある。すなわち、ギャップ間隔が小さくなるほど、放電により発生した火炎が中心電極及び接地電極に接触しやすくなることで熱損失が大きくなり、失火し易くなる。

また、要求二次電圧を低下させるのではなく、点火プラグの碍子材質を変更することで、耐電圧限界を高圧縮比化による要求二次電圧の増大に対応させる方法も考えられるが、材質変更に伴いコストが増大してしまうという問題がある。

そこで、本発明では、点火プラグの着火性の低下やコスト増大を伴わずに要求二次電圧を低下させ、高充填効率化や高圧縮化したエンジンに適用することを可能にするエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

本発明のエンジンの制御装置は、燃料噴射量及び燃料噴射タイミングを運転状態に基づいて制御する燃料噴射制御手段を備えたエンジンの制御装置である。そして、燃料噴射制御手段は、点火タイミングにおける放電ギャップ周辺の空燃比を、燃焼室内で点火プラグの放電ギャップに火花を発生させるのに要する要求二次電圧が点火プラグの耐電圧限界を越えないように制御する。

本発明によれば、空燃比の制御によって安定して着火するための要求二次電圧を耐電圧限界より低くするので、点火プラグの着火性の低下やコストの増加を伴わずに高充填効率化や高圧縮化したエンジンに適用することが可能となる。

本発明の実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。 本発明の実施形態を適用するエンジンの点火系の構成図である。 コントローラが実行する要求二次電圧を低下させるための制御ルーチンを示すフローチャートである。 コントローラに格納された要求二次電圧ＮＧ領域判定マップである。 本発明の実施形態を実施しない場合の、要求二次電圧とエンジン回転速度の関係をスロットル開度毎に示した図である。 要求二次電圧と電極周辺空燃比との関係を示す図である。 ＩＴ−ＡＤＶと電極周辺空燃比との関係を示す図である。 本発明の実施形態を実施する場合の、要求二次電圧とエンジン回転速度の関係をスロットル開度毎に示した図である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。

エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。シリンダブロック１０には、ピストン１１を収装するシリンダ１２が形成される。そして、ピストン１１の冠面と、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３を形成する。この燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１は燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。

また、シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に混合気を流す吸気通路３０と、燃焼室１３からの排気を流す排気通路４０とが形成される。

吸気通路３０には、吸気弁３１が設けられる。吸気弁３１は、吸気側カムシャフト３２に一体形成されるカム３３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気通路３０を開閉する。また、吸気通路３０にはスロットルバルブ３５が設けられる。スロットルバルブ３５は、コントローラ５５からの信号に基づいて開閉し、吸気通路３０の流路断面積を調整する。

排気通路４０には、排気弁４１が設けられる。排気弁４１は、排気側カムシャフト４２に一体形成されるカム４３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて排気通路４０を開閉する。なお、排気通路４０には、排気を外部に流す図示しない排気通路が接続しており、この排気通路に設置されたＥＧＲ装置が排気通路を流れる排気の一部を吸気系に再循環させる。

上記した吸気通路３０と排気通路４０との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心部には、燃焼室１３に臨むように燃料噴射弁３４及び点火プラグ５１が設置されている。

コントローラ５５はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。このコントローラ５５には、エンジン回転速度、エンジン負荷など、エンジン運転状態を検出する各種センサの出力が入力する。エンジン回転速度はクランク角センサ７１により検出する。エンジン負荷はスロットル開度に基づいて算出し、スロットル開度はスロットルポジションセンサ７２により検出する。

コントローラ５５は、これら各種センサの出力に基づいて燃料噴射タイミング、点火タイミング等を決定する。

ここで、点火プラグ５１による点火の制御について説明する。図２はコントローラ５５からの信号によって点火プラグ５１の点火タイミングを制御する点火制御装置５０と、コントローラ５５と、点火プラグ５１とからなる点火系の構成図である。

点火制御装置５０は、点火コイル５２と、バッテリ５３と、パワートランジスタ５４とを備えている。

点火プラグ５１は、接地電極５６と中心電極５７とをエンジン１００の燃焼室１３内に突出させるように配設されている。接地電極５６はバッテリ５３の負極５８と同電位のグランドに接地されており、中心電極５７は点火コイル５２との間に介装されるダイオード５９のアノード６０に接続される。接地電極５６と中心電極５７との間には点火コイル５２によって印加された高電圧によって火花放電が発生する。

点火コイル５２は、電磁誘導によって点火プラグ５１の放電電圧を発生させており、１次コイル６１と２次コイル６２とから構成されている。１次コイル６１の一端はバッテリ５３と２次コイル６２の一端とに接続され、他端はパワートランジスタ５４のコレクタ６３に接続されている。２次コイル６２の一端はバッテリ５３と１次コイル６１の一端とに接続され、他端は点火プラグ５１との間に介装されるダイオード５９のカソード６４に接続される。

バッテリ５３は、点火プラグ５１に印加する電圧を発生させるために必要な電力を供給する電源である。バッテリ５３の正極６５は１次コイル６１の一端と２次コイル６２の一端とに接続され、負極５８は接地されている。

パワートランジスタ５４は、コントローラ５５からの点火指令信号（ＩＧ信号）に基づいて１次コイル６１への通電と遮断とを切り替えている。パワートランジスタ５４のコレクタ６３は１次コイル６１の一端に接続されており、エミッタ６６はバッテリ５３の負極５８と同電位のグランドに接地されている。また、ベース６７はコントローラ５５に接続されている。

コントローラ５５は、パワートランジスタ５４にＩＧ信号を送信することで点火プラグ５１に火花放電を発生させるタイミングや放電回数などを制御している。

ここで、コントローラ５５がＩＧ信号を送信してから点火プラグ５１に火花放電が発生するまでの作用について説明する。コントローラ５５からパワートランジスタ５４のベース６７にＩＧ信号が送信されると、コレクタ６３とエミッタ６６との間が通電するので、バッテリ５３から１次コイル６１に電流が流れる。その後、コントローラ５５からのＩＧ信号がストップすると、コレクタ６３とエミッタ６６との間は電気的に遮断されるので、１次コイル６１への通電がストップする。これにより１次コイル６１の磁束密度は急激に変化するので、電磁誘導によって２次コイル６２に高圧の誘導電圧が発生する。この誘導電圧が点火プラグ５１に印加されることにより、中心電極５７と接地電極５６との間に火花放電が発生する。

このようにして発生した火花放電によって、エンジン１００のシリンダ内に吸入された混合気は点火燃焼している。

ところで、中心電極５７と接地電極５６との間に火花放電が発生するのは、両電極間の空間で絶縁破壊が生じるためである。絶縁破壊を生じさせるのに必要な電圧を、要求二次電圧と呼ぶ。この要求二次電圧は、充填効率や筒内圧が高いほど高くなることが知られている。つまり、可変バルブタイミング機構の採用等による高充填効率化や、可変圧縮比機構の採用等による高圧縮比化が進むことで、要求二次電圧はより高くなり、既存の点火プラグ５１では耐電圧限界を超えてしまい、大幅に性能低下するおそれがある。点火プラグ５１の碍子材質を変更することで耐電圧限界を高めて、要求二次電圧の増大に対応することも考えられるが、コストが増大するという問題がある。

そこで、コントローラ５５は、要求二次電圧の増大を抑制するための燃料噴射制御を実行する。

図３は、コントローラ５５が実行する、要求二次電圧の増大を抑制するための制御ルーチンを説明するフローチャートである。この制御ルーチンは一定間隔毎に実行される。一定間隔は、例えば１ミリ秒とする。

ステップＳ１０では、エンジン回転速度を読み込む。

ステップＳ２０では、エンジン回転速度がＮＧ領域か否かを判定する。ここでの判定には、図４のマップを用いる。図４のマップは、図５に示す要求二次電圧、エンジン回転速度及びスロットル開度の関係を２元マップ化したものである。

図５は、要求二次電圧抑制のための制御を実行しない場合について、スロットル開度ごとに要求二次電圧とエンジン回転速度との関係を示したマップである。スロットル開度ごとの曲線は、エンジン負荷−エンジン回転速度マップにおけるエンジン出力トルク曲線にほぼ比例する。図中でプラグ耐電圧限界より上側の領域をＮＧ領域とする。ここでは、スロットル開度が８０％以下ならば、エンジン回転速度の全域にわたってプラグ耐電圧以下となるが、スロットル開度が９０％以上では、中高回転速度域でＮＧ領域となる。

判定の結果、ＮＧ領域の場合はステップＳ３０へ進み、ＮＧ領域でない場合は処理を終了する。

ステップＳ３０では、スロットル開度を読み込む。

ステップＳ４０では、スロットル開度がＮＧ領域か否かを判定する。判定方法はステップＳ２０と同様である。

スロットル開度もＮＧ領域の場合はステップＳ５０へ進み、ＮＧ領域でない場合は処理を終了する。

ステップＳ５０では、点火タイミングを読み込む。点火タイミングは、コントローラ５５が別のルーチンで、スロットル開度及びエンジン回転速度等に基づいて決定したものである。決定方法は、一般的なエンジンの点火タイミング決定方法と同様である。

ステップＳ６０では、２段噴射を実行することを決定し、さらに２段目噴射の噴射タイミングを決定する。２段噴射とは、通常の燃料噴射制御ルーチンにより決定した燃料噴射タイミングでの燃料噴射（これをメイン噴射という）の後に、点火プラグ５１の放電ギャップに向けて２段目噴射を行う噴射形態である。メイン噴射タイミングは、一般的なエンジンの燃料噴射制御と同様の方法により決定する。メイン噴射量は、一般的なエンジンの燃料噴射制御と同様の方法により決定した噴射量から、２段目噴射量を減じた量とする。つまり、１サイクル当たりの燃料噴射量の合計は通常の噴射量と同じであり、空燃比も燃焼室１３全体としてみた場合には通常運転時と同じである。

２段目噴射量は、メイン噴射での噴射量よりも大幅に少ない噴射量を予め設定したものである。例えば、いずれの運転領域でも、点火プラグ５１の放電ギャップ周辺に要求二次電圧低下のための空燃比の混合気を形成できるだけの噴射量であればよい。要求二次電圧低下のための空燃比については後述する。

２段目噴射のタイミングは次のようにして決定する。図６は点火プラグ５１の放電ギャップ周辺の空燃比（以下、電極周辺空燃比という）と要求二次電圧の関係を示す図である。

図６に示すように、要求二次電圧は電極周辺空燃比に対して下側に凸な特性を有する。最小となるのは、電極周辺空燃比がおおよそ１１〜１２の場合である。中心電極５７及び接地電極５６の温度が一定と仮定すれば、図６とは異なり電極周辺空燃比がリッチになるほど要求二次電圧は小さくなる。これは、リッチになるほど放電ギャップ間の燃料量が増えて、放電ギャップ間が空気のみの場合と比べて導電性が高くなるからである。

一方、要求二次電圧には、中心電極５７及び接地電極５６の温度が低下するほど大きくなるという特性がある。そして、電極周辺空燃比がリッチになるほど、中心電極５７及び接地電極５６は燃料により冷却される。このため、図６に示すように、電極周辺空燃比が１１〜１２のときに、導電性向上の影響と電極温度低下の影響がバランスして要求二次電圧が最小となり、それよりリッチ側になるほど、及びリーン側になるほど、要求二次電圧は大きくなる。ここでは、要求二次電圧の最小ピークが、プラグ耐電圧の限界電圧とする。そこで、要求二次電圧低下のための空燃比をおよそ１１〜１２の間に設定する。

図７は点火プラグ５１とＩＴ−ＡＤＶの関係の一例を示す図である。ＩＴ−ＡＤＶとは、２段目噴射の噴射終了時から点火タイミングまでの時間である。図に示すように、ＩＴ−ＡＤＶが大きくなるほど電極周辺空燃比はリーンになる。これは、２段目噴射で噴射された燃料塊は噴射直後には放電ギャップ周辺にあり、時間の経過とともに放電ギャップから遠ざかりつつ拡散するため、噴射終了から点火までの時間が長いほどリーンになるからである。

つまり、２段目噴射の噴射終了タイミングを制御することで、点火タイミングにおける電極周辺空燃比を所望の空燃比にすることができる。要求二次電圧を低下させるためには、点火タイミングにおける電極周辺空燃比が１１〜１２の間にあることが望ましい。そこで、図７から電極周辺空燃比が１１〜１２となる場合のＩＴ−ＡＤＶを求め、点火タイミングから逆算して２段目噴射のタイミングを決定する。点火タイミングは、一般的なエンジンの点火制御と同様に、運転状態に応じて決定する。

このように、燃焼室１３全体の空燃比及び点火タイミングは通常運転時と同じなので、要求二次電圧低下のための制御を実行しても、出力トルクの低下やノッキングの発生といった問題は生じない。また、２段目噴射量を少なくすることにより、排気性能の低下も防止できる。

なお、燃料噴射弁３４が燃焼室周縁部に設けられている場合のように、燃料噴射弁３４と点火プラグ５１が離れて配置されている場合は、燃料塊が放電ギャップに近づくまでに時間を要するので、２段目噴射終了後の所定期間は電極周辺空燃比は徐々にリッチになり、放電キャップに最接近する時期付近でピークを迎え、それ以降は徐々にリーンになる。また、運転状態により筒内の圧力、温度等は異なり、それによって燃料塊の移動速度及び拡散速度も変化するので、図７の傾きも運転状態毎に異なる。そこで、運転状態ごとの図７を用意する。

また、ＩＴ−ＡＤＶは２段目噴射終了時から点火タイミングまでの時間としたが、これに限られるわけではなく、例えば、２段目噴射開始タイミングから点火タイミングまでの時間としても、同様の考え方で２段目噴射のタイミングを決定することができる。

図８は、図３の制御ルーチンを実行する場合について、スロットル開度ごとに要求二次電圧とエンジン回転速度との関係を示したマップである。

エンジン回転速度またはスロットル開度の少なくとも一方がＮＧ領域、つまり要求二次電圧がプラグ耐電圧の限界を超えると判断した場合には、２段噴射により要求二次電圧をプラグ耐電圧の限界まで低下させるので、図に示すように、いずれの運転領域でも要求二次電圧がプラグ耐電圧の限界を超えることはない。なお、要求二次電圧は、コイル５２の電圧発生能力によっても制限される。

なお、本実施形態では、図４のマップで要求二次電圧がＮＧ領域か否かの判定をし、図７を用いて２段噴射タイミングを決定するが、これに限られるわけではない。例えば、運転状態ごとの２段目噴射タイミングを予め算出して、これを図４のマップのＮＧ領域部分に含めておき、エンジン回転速度及びスロットル開度から２段目噴射タイミングを直接読み出せるようにしてもよい。

また、本実施形態では、２段噴射によって点火プラグ５１の放電ギャップ付近のみを要求二次電圧低下のための空燃比になるよう制御しているが、これに限られるわけではない。例えば、吸気通路３０内に燃料を噴射する、いわゆるポート噴射式のエンジンにおいて、要求二次電圧がＮＧ領域となる運転領域では、燃焼室１３全体が要求二次電圧低下のための空燃比となるようにメイン噴射量を設定してもよい。この場合、燃料噴射量及び点火タイミングが運転状態から定まる燃料噴射量及び点火タイミングとは異なるので、出力トルク等については、２段噴射による場合と比較して低下する可能性がある。

以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。

（１）要求二次電圧が耐電圧限界を超えると判定された場合に、コントローラ５５は、点火タイミングにおける前記放電ギャップ周辺の空燃比を、要求二次電圧が前記耐電圧限界以下になるとなるように制御するので、高充填効率化や高圧縮比化が進んでも、放電ギャップの間隔を狭める必要も、碍子材質を変更する必要もない。つまり、要求二次電圧の増大に対応するために着火性が低下したり、コストが増大したりすることがない。

（２）コントローラ５５は、要求二次電圧が前記耐電圧限界を超えると判定された場合には燃料噴射を２段階に分けて行い、２段階目の燃料噴射のタイミングを、点火タイミングにおける前記放電ギャップ周辺の空燃比が、前記要求二次電圧が前記耐電圧限界以下となるようなタイミングで行うので、エンジン出力トルクの低下等を伴わずに要求二次電圧を低下させることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１０ シリンダブロック
１１ ピストン
１２ シリンダ
１３ 燃焼室
２０ シリンダヘッド
３０ 吸気通路
３１ 吸気弁
３２ 吸気側カムシャフト
３３ カム
３５ スロットルバルブ
４０ 排気通路
４１ 排気弁
４２ 排気側カムシャフト
４３ カム
５０ 点火制御装置
５１ 点火プラグ
５２ 点火コイル
５３ バッテリ
５４ パワートランジスタ
５５ コントローラ
５６ 接地電極
５７ 中心電極
５８ 負極
５９ ダイオード
６０ アノード
６１ １次コイル
６２ ２次コイル
６３ コレクタ
６４ カソード
６５ 正極
６６ エミッタ
６７ ベース
７１ クランク角センサ
７２ スロットルポジションセンサ
１００ エンジン

Claims (4)

1. 燃料噴射量及び燃料噴射タイミングを運転状態に基づいて制御する燃料噴射制御手段を備えたエンジンの制御装置において、
   前記燃料噴射制御手段は、点火タイミングにおける前記放電ギャップ周辺の空燃比を、燃焼室内で点火プラグの放電ギャップに火花を発生させるのに要する要求二次電圧が点火プラグの耐電圧限界を越えないように制御することを特徴とするエンジンの制御装置。
2. エンジンの運転状態を検知する手段と、燃焼室内で点火プラグの放電ギャップに火花を発生させるのに要する要求二次電圧が点火プラグの耐電圧限界を超えるか否かを前記運転状態に基づいて判定する要求二次電圧判定手段とを備え、
   前記要求二次電圧が前記耐電圧限界を超えると判定された場合には、前記燃料噴射制御手段により、点火タイミングにおける前記放電ギャップ周辺の空燃比を、前記要求二次電圧が前記耐電圧限界以下になるとなるように制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記エンジンは燃料噴射弁が燃料を筒内に直接噴射する筒内直噴式エンジンであり、
   前記燃料噴射弁は前記放電ギャップ周辺に向けて燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記燃料噴射制御手段は、前記要求二次電圧が前記耐電圧限界を超えると判定された場合には燃料噴射を２段階に分けて行い、２段階目の燃料噴射のタイミングを、点火タイミングにおける前記放電ギャップ周辺の空燃比が、前記要求二次電圧が前記耐電圧限界以下となるようなタイミングで行うことを特徴とする請求項２に記載のエンジンの制御装置。