JP2011202532A

JP2011202532A - 内燃機関の燃焼制御装置

Info

Publication number: JP2011202532A
Application number: JP2010068362A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Izumi; 光宏泉
Original assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】多重点火方式において、燃焼状態の良否を早期に検出できる燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とが電磁結合されてなる点火トランスＴと、一点火サイクル中に、一次コイルＬ１の電流を複数回ＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２に誘起される高電圧を受けて火花放電する点火プラグＰＧと、点火トランスＴの二次電圧を検出する信号検出部ＡＤＣと、検出部が検出した検出電圧であって、多重点火制御の初期段階におけるスイッチ素子ＯＦＦ遷移時のピーク電圧値の推移を判定して、これが有意に増加傾向を示すか否かに基づいて、燃焼状態の良否を判定する燃焼判定部ＳＴ１３と、燃焼判定部の判定結果に基づいて、その後の制御動作を実行する燃焼制御部ＳＴ１とを有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、多重点火方式を採用する内燃機関において、燃焼状態の良否を素早いタイミングで検出でき、検出結果に基づいた適切な制御動作を可能にした燃焼制御装置に関する。

自動車エンジンなどの内燃機関では、燃焼室に導入した空気及び燃料の混合気を、点火プラグの点火放電により燃焼させてエネルギーを発生させている。このような内燃機関では、一点火サイクルにおいて、点火プラグを複数回放電させる多重点火方式が知られている。この多重点火方式では、放電動作を間欠的に複数回繰り返すことで、例えば、混合気の空燃比が希薄状態や、大量ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)状態でも、着火動作を安定化させることができる。

しかし、多重点火方式では、一点火サイクルに複数回の放電動作を実行する分だけ、点火プラグや、点火プラグに高電圧を供給する点火トランスの劣化が激しいという問題がある。また、多重点火方式では、混合気が安定的に燃焼している状態でも、不要な放電動作を繰り返すというエネルギー上の無駄もある。

そこで、かかる問題を解消するべく、本出願人は、圧力センサを使用することなく失火状態か燃焼状態かを判定できる発明を提案している（特許文献１、特許文献２）。

特願２００８−３１８４６２号特願２００９−１５２４０８号

しかしながら、上記の発明では、点火トランスに流れる二次電流を検出する検出回路が必要となるという煩雑さがある。

また、燃焼状態か失火状態かを判定するだけでなく、燃焼室に十分な熱量が発生しているか否かまで判定できる構成が望まれる。また、どの程度の熱量が燃焼室に発生しているかを特定できる構成も望まれるところである。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、多重点火方式において、燃焼状態の良否を早期に検出して、適切な点火制御を実現できる燃焼制御装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明者は、図１と同様の実験回路を使用して、空燃比がリーンな状態で多重点火実験を繰り返し、各点火サイクル中の点火プラグＰＧの電圧変化を検討した。図２に示す通り、点火プラグＰＧの電圧Ｖ２は、点火パルスＳＧの立下りタイミングでピーク値を示すので、本発明者は、このピーク電圧値（絶対値）が一点火サイクル中にどのように推移するかを検討した。

その結果、燃焼状態が良好で十分な熱量を発生しているか否かは、多重点火動作の初期段階であって、実際に熱量が発生される以前でも予測できること、及び、十分な熱量を発生するべきタイミングにおける、点火プラグの電圧に基づいて、燃焼状態の良否を判定できることを見出して本発明を完成させるに至った。

すなわち、請求項１に係る内燃機関の燃焼制御装置は、一次コイルと二次コイルとが電磁結合されてなる点火トランスと、内燃機関の一点火サイクル中に、前記一次コイルの電流を複数回ＯＮ／ＯＦＦ制御して多重点火制御を実行するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移時に二次コイルに誘起される高電圧を受けて火花放電をする点火プラグと、前記点火トランスの一次電圧又は二次電圧を検出する信号検出部と、前記検出部が検出した検出電圧であって、多重点火制御の初期段階における前記ＯＦＦ遷移時のピーク電圧値の推移を判定して、これが有意に増加傾向を示すか否かに基づいて、燃焼状態の良否を判定する燃焼判定部と、前記燃焼判定部の判定結果に基づいて、その後の制御動作を実行する燃焼制御部とを有して構成される。

燃焼制御部は、判定した燃焼状態の良否に基づき、当該点火サイクルにおいて、点火動作を更に継続するか否か、或いは、継続する場合における点火タイミングや点火回数などを決定することができる。また、燃焼制御部は、次回以降の点火サイクルにおける、点火動作、燃料噴射動作、ＥＧＲ制御動作、ＶＶＴ(Variable Valve Timing)制御などの制御量を決定して、適切な燃焼動作を継続ないし回復させることができる。

また、請求項２に係る内燃機関の燃焼制御装置は、一次コイルと二次コイルとが電磁結合されてなる点火トランスと、内燃機関の一点火サイクル中に、前記一次コイルの電流を複数回ＯＮ／ＯＦＦ制御して多重点火制御を実行するスイッチング素子と、前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移時に二次コイルに誘起される高電圧を受けて火花放電をする点火プラグと、前記点火トランスの一次電圧又は二次電圧を検出する信号検出部と、前記検出部が検出した検出電圧であって、十分な熱量を発生するべきタイミングにおける前記ＯＦＦ遷移時のピーク電圧値を判定して、そのレベルに基づいて、燃焼状態の良否を判定する燃焼判定部と、前記燃焼判定部の判定結果に基づいて、その後の制御動作を実行する燃焼制御部とを有して構成される。

燃焼制御部は、当該点火サイクルでの発生熱量などを推測できるので、次回以降の点火サイクルにおける、点火動作、燃料噴射動作、ＥＧＲ制御動作、ＶＶＴ制御などの制御量を決定して、適切な燃焼動作を継続ないし回復させることができる。

図３（ａ）は、多重点火制御時の点火トランスＴの二次電圧、つまり点火プラグＰＧの電圧のピーク値の推移を図示したものである。ここでは、多数の燃焼サンプルのうち、図示平均有効圧Ｐｉが高かった燃焼良好群の代表サンプル２例を実線で示し、図示平均有効圧Ｐｉが低かった燃焼不良群の代表サンプル２例を破線で示している。なお、空燃比Ａ／Ｆ＝２７に設定した希薄燃焼条件において、ほぼ６ＣＡ(Crank angle)間隔で合計１６回の多重点火制御を実行し、各回の点火タイミング直後である容量放電区間における二次電圧ピーク値をプロットして直線で結んでいる。

一方、図３（ｂ）は、上記した代表サンプル４例について、熱発生率ＲＨＲ(Rate of Heat Release)を図示している。燃焼良好群に属する２サンプル（実線）では、０〜２０ＣＡのタイミングで熱発生率ＲＨＲが高レベルであるが、燃焼不良群に属する２サンプル（破線）では、熱発生率ＲＨＲが低レベルである。

図３（ａ）に示される通り、燃料良好群と燃焼不良群には、特に、２番目の点火タイミング直後の二次電圧ピーク値に、有意な差異が認められた。また、燃料良好群では、２番目の点火タイミング直後の二次電圧ピーク値が一般に最低レベルとなり、その後の点火動作では、二次電圧ピーク値が有意な増加傾向を示すことも確認された。

また、図３（ｂ）に示される通り、−６０ＣＡ〜−２０ＣＡの期間は、何れの燃焼サンプルでも熱発生率ＲＨＲがほぼゼロであり、この区間は、火炎核から乱流伝播火炎への成長過程であると推察される。そして、その後、−２０ＣＡあたりから、燃焼良好群では、熱発生率ＲＨＲが有意に増加する。

したがって、以上の知見によれば、請求項１に係る発明のように、多重点火制御の初期段階におけるピーク電圧値の推移を判定して、これが有意に増加傾向を示す場合は、燃焼反応が良好であると判定することができる。ピーク電圧値の推移は、好ましくは、２番目の点火タイミング以降の値に基づいて判定されるべきである。

また、図３（ａ）から確認される通り、本来、燃焼室に十分な熱量を発生しているべきＴＤＣ（Top Dead Center）以降の主燃焼区間において、燃焼良好群と燃焼不良群では、スイッチング素子ＯＦＦ遷移時の二次電圧ピーク値に有意な差が認められる。なお、図３（ａ）の実験では、全１６回の全てで点火動作を実行しているが、燃焼反応が開始された後、適宜なタイミングで点火動作を停止した場合にも、同様の傾向が認められた。

そこで、請求項２に係る発明のように、十分な熱量を発生するべきタイミングにおける前記ＯＦＦ遷移時のピーク電圧値を判定して、そのレベルに基づいて、燃焼状態の良否を判定することができる。図４は、０ＣＡ付近で点火動作を停止した複数の燃焼サンプルについて、１０ＣＡ付近で点火動作を再実行し、その点火タイミング直後の二次電圧ピーク値と、各燃焼サンプルにおける図示平均有効圧Ｐｉとの関係を図示したものである。図示の通り、主燃焼区間における二次電圧ピーク値と、図示平均有効圧Ｐｉに、有意な相関関係が確認される。したがって、特定した二次ピーク電圧に基づいて、実際の燃焼圧を推定することもできる。

上記した本発明の燃焼制御装置によれば、燃焼状態の良否を早期に把握できるので、適切な燃焼動作を実現することができる。具体的には、不必要な点火動作を抑制することができ、点火プラグや点火コイルの高寿命化を実現することができる。また、安定した希薄燃焼や大量ＥＧＲ燃焼などを実現できるので燃費向上や環境汚染の防止を図ることもできる。

実施例に係る燃焼制御装置を説明する回路ブロック図である。多重点火制御時の点火パルスと二次電圧とを示すタイムチャートである。多重点火制御時の二次電圧の推移と、熱発生率の推移を示す図面である。図示平均有効圧Ｐｉと所定タイミングの二次電圧との関係を示す図面である。図１のコンピュータ回路の制御動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施例について説明する。図１は、実施例に係る燃焼制御装置を示す回路ブロック図である。

図示の燃焼制御装置は、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とが電磁結合されてなる点火トランスＴと、点火パルスＳＧに基づいて一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２に誘起される高電圧を受けて燃焼室で火花放電する点火プラグＰＧと、点火トランスＴの二次電圧Ｖ２を適宜に降下させる降圧回路ＤＰと、降圧回路ＤＰの出力電圧を一時的に保持するサンプルホールド回路ＳＨと、サンプルホールド回路ＳＨの出力電圧をデジタル変換するＡＤ変換器ＡＤＣ、ＡＤ変換器ＡＤＣのデジタル出力を受けると共に、点火パルスＳＧを出力してスイッチング素子Ｑを駆動するコンピュータ回路ＣＯＭと、を有して構成されている。

この燃焼制御装置では、一点火サイクル中に複数回の放電動作を繰り返す多重点火方式を採っている。すなわち、コンピュータ回路ＣＯＭは、一点火サイクル中に、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑのゲート端子に、点火パルスＳＧを複数回繰り返し供給している。

また、コンピュータ回路ＣＯＭには、所望の燃焼制御を実現するための各種の制御パラメータを格納した記憶部ＭＥＭが設けられている。なお、燃焼制御の全てを、ＥＣＵ(electric control unit)が担当しても良いが、燃焼制御の一部を、自動車用ＤＳＰ(Digital Signal Processor)などで構成された専用のコンピュータ回路が担当しても良い。

何れにしても、コンピュータ回路ＣＯＭは、サンプルホールド回路ＳＨとＡＤ変換器ＡＤＣの動作を制御して、点火パルスＳＧの立下り直後の二次電圧Ｖ２を取得して蓄積する一方、蓄積された検出データを解析して燃焼状態の良否を判定している。なお、サンプルホールド回路ＳＨは、点火パルスＳＧの立下り直後の短時間だけＯＮ状態となり、適宜な静電容量を有するキャパシタンス素子によって、降圧電圧ＤＰの出力ピーク値を保持するよう構成されている。

図５は、コンピュータ回路ＣＯＭが実行する燃焼制御動作について、その概要を示すフローチャートである。

コンピュータ回路ＣＯＭは、所定の点火タイミングに達するまで、予め決定されている空燃比やＥＧＲ量などに基づいて、必要な燃焼制御を実行する（ＳＴ１〜ＳＴ２）。そして、多重点火の点火タイミングに達すると、点火動作を管理するカウント変数ｉをインクリメントして（ＳＴ３）、点火動作を実行するか否かを判定する（ＳＴ４）。これは、本実施例では、一の点火サイクルにおける多重点火回数が固定値ではなく、良好な燃焼動作が確認された段階で、その後の点火動作を中止するためである。

ステップＳＴ４の判定で、点火動作を実行すると判定された場合には、コンピュータ回路ＣＯＭは、Ｈレベルの点火パルスＳＧをＬレベルに立下げると共に、サンプルホールド回路ＳＨを短時間だけＯＮ動作させる（ＳＴ５）。なお、サンプルホールド回路ＳＨは、点火プラグＰＧの容量性放電が完了する直前にＯＦＦ状態に戻り、点火プラグＰＧのピーク電圧を保持するよう構成されている。

ステップＳＴ５の動作が終われば、次に、コンピュータ回路ＣＯＭは、ＡＤ変換器ＡＤＣを動作させて、デジタル変換されたサンプルホールド回路ＳＨの出力Ｄｉを、ＡＤ変換器ＡＤＣから取得して記憶する（ＳＴ６）。

続いて、今が二次判定タイミングか否かをカウンタ変数ｉの値に基づいて判定する（ＳＴ７）。なお、カウンタ変数ｉの値が幾らに達すると二次判定タイミングとするかは、空燃比などの燃焼制御状態や、その時の運転条件に対応して記憶部ＭＥＭに記憶されている。但し、何れの場合にも、二次判定タイミングは、燃焼反応が進んだ混合気が、実際に熱量を発生すべき主燃焼期間に設定され、具体的には、０ＣＡ〜２０ＣＡの範囲に設定される。なお、図３に示す燃焼実験では、カウンタ変数ｉがｉ＝１３となるタイミングが二次判定タイミングとなる。

そして、二次判定タイミングに達していない場合には、このタイミングで、既に一次判定処理を完了しているか否かを、判定フラグＦＧに値に基づいて判定する（ＳＴ８）。一次判定処理（ＳＴ１３）は、燃焼反応の良否を比較的早い段階で判定する処理であり、この判定処理後に、それまでゼロであった判定フラグＦＧがＦＧ＝１となる。したがって、判定フラグＦＧがＦＧ＝１であって、燃焼反応の一次判定が完了している場合には、ステップＳＴ１の処理に戻る。

一方、燃焼反応の一次判定が完了していない場合には、今のタイミングが第二回目の点火動作タイミングか否かをカウンタ変数ｉの値に基づいて判定する（ＳＴ９）。そして、カウンタ変数ｉがｉ＝２であって、第二回目の点火動作タイミングであれば、ＡＤ変換器ＡＤＣからの取得値Ｄｉを、基準値ＢＳとして記憶すると共に、累積演算のための総和変数ＳＵＭをゼロクリアする（ＳＴ１０）。

一方、カウンタ変数ｉが、ｉ＞２であって、第三回目以降の点火動作であれば、ステップＳＴ１０の処理をスキップする。そして、ＳＵＭ←ＳＵＭ＋（Ｄｉ−ＢＳ）の累積演算を実行して、二次電圧Ｖ２に対応する取得値Ｄｉと基準値ＢＳとの偏差Ｄｉ−ＢＳを累積する（ＳＴ１１）。なお、偏差Ｄｉ−ＢＳは、正負の値を採り得るので、累積演算によって総和変数ＳＵＭが減少する可能性もある。

何れにしても、ステップＳＴ１１の累積演算が終われば、次に、一次判定タイミングに達しているか否かをカウンタ変数ｉの値に基づいて判定する（ＳＴ１２）。一次判定タイミングは、点火プラグの点火放電によって着火された混合気の燃焼反応が進行して、実際に熱量を発生し始める以前であることが好適であり、運転条件などに対応して、記憶部ＭＥＭに記憶されている。なお、図３の燃焼実験では、−２０ＣＡあたりが一次判定タイミングとなる。

そして、一次判定タイミングに達していなければ、ステップＳＴ１の処理に戻り、それまでの燃焼制御動作を継続する。一方、一次判定タイミングに達すると、総和変数ＳＵＭと基準値ＢＳの値に基づいて、燃焼反応の良否を判定し、その後の燃焼制御の内容を決定してステップＳＴ１の処理に戻る（ＳＴ１３）。

燃焼反応の良否判定は、例えば、基準値ＤＳを第一閾値ＴＨ１と対比すると共に、その時の総和変数ＳＵＭを第二閾値ＴＨ２と対比して実行される。そして、第二回目の点火動作時の二次電圧のピーク値に対応する基準値ＤＳが、第一閾値ＴＨ１より低く（ＤＳ＜ＴＨ１）、且つ、総和変数ＳＵＭで算出される累積値が、第二閾値ＴＨ２より大きい場合は（ＳＵＭ＞ＴＨ２）、有意な増加傾向が認められるので、一次判定タイミングまでの燃焼反応が良好であると判定する。そして、その後の点火動作を停止するなどの措置を採る。なお、２つの閾値ＴＨ１，ＴＨ２は、燃焼制御内容や運転条件に対応して、記憶部ＭＥＭに記憶されている。

一方、基準値ＤＳが、第一閾値ＴＨ１より高く（ＤＳ≧ＴＨ１）、且つ、総和変数が第二閾値ＴＨ２より小さいことで（ＳＵＭ≦ＴＨ２）、有意な増加傾向が認められない場合には、一次判定タイミングまでの燃焼反応が不良であると判定する。そして、この場合には、(1)その後の点火タイミングまでに燃料を追加噴射する、(2)次回の点火動作の点火エネルギーを増加させる、(3)ＥＧＲ制御の制御量を変更する、(4)ＶＶＴ制御の制御量を変更するなどの対策を採る。

また、上記した良好判定と不良判定の何れにも該当しない場合には、一次判定タイミングまでの燃焼反応が不良である可能性があると判定し、例えば、その後も点火動作を継続する。また、上記した不良判定に準じた対策を採る。

このように、本実施例によれば、燃焼反応の良否を初期段階で判定できるので、その後の燃焼制御を最適化することができ、燃焼反応を改善することができる。

具体的には、一次判定タイミング後には、変更された燃焼制御動作が実行され、カウンタ変数ｉを点火動作タイミング毎に増加させる（ＳＴ１〜ＳＴ３）。また、カウンタ変数ｉに基づいて、点火動作を実行するか否かが決定される（ＳＴ４）。

本実施例では、燃料反応が良好でない場合には、一次判定タイミング以降も点火動作が繰返される。そして、二次判定タイミングに達したタイミングでは、燃焼反応の一次判定の結果に拘わらず、点火動作を実行する（ＳＴ４）。すなわち、カウンタ変数ｉの値に基づき、二次判定タイミングに達したと判定される場合には、一次判定タイミングにおける判定結果の如何に拘わらず、必ず、ステップＳＴ５〜ＳＴ６の点火動作が実行される。

二次判定タイミングでは、そのときの取得データＤｉに基づいて、燃焼状態の良否を最終判定する（ＳＴ１４）。なお、二次判定タイミングでの取得データＤｉだけでなく、一次判定の結果を加味して評価するのも好適である。また、図４に示す相関関係に基づいて、実際の燃焼圧を推定することもできる。

いずれにしても、燃焼状態の最終判定処理の判定結果に基づいて、次回の点火サイクルにおける燃焼制御内容を決定する（ＳＴ１４）。具体的には、燃焼状態が良好であったと最終判定される場合には、現在の燃焼制御を継続し、逆に、燃焼状態が不良であったと最終判定される場合には、例えば、次回の点火サイクルにおいて、(1)空燃比を改善して希薄燃焼制御を緩和する、(2)点火動作の点火エネルギーを増加させる、(3)ＥＧＲ制御の制御量を変更する、(4)ＶＶＴ制御の制御量を変更するなどの対策を採る。以上の通り、本実施例によれば、リアルタイムに燃焼状態を改善できるので、最適な希薄燃焼やＭＢＴ制御を継続することができ、燃費向上や環境汚染の防止を図ることができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、実施例では、点火トランスＴの二次電圧Ｖ２に基づいて燃焼判定したが、二次電圧Ｖ２に代えて、一次電圧Ｖ１を利用できるのは勿論である。また、点火トランスＴの二次電流を検出して、二次電圧Ｖ２を特定することもできる。

Ｌ１一次コイル
Ｌ２二次コイル
Ｔ点火トランス
Ｑスイッチング素子
ＰＧ点火プラグ
ＡＤＣ信号検出部
ＳＴ１３燃焼判定部
ＳＴ１燃焼制御部

Claims

一次コイルと二次コイルとが電磁結合されてなる点火トランスと、
内燃機関の一点火サイクル中に、前記一次コイルの電流を複数回ＯＮ／ＯＦＦ制御して多重点火制御を実行するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移時に二次コイルに誘起される高電圧を受けて火花放電をする点火プラグと、
前記点火トランスの一次電圧又は二次電圧を検出する信号検出部と、
前記検出部が検出した検出電圧であって、多重点火制御の初期段階における前記ＯＦＦ遷移時のピーク電圧値の推移を判定して、これが有意に増加傾向を示すか否かに基づいて、燃焼状態の良否を判定する燃焼判定部と、
前記燃焼判定部の判定結果に基づいて、その後の制御動作を実行する燃焼制御部とを有して構成されることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
一次コイルと二次コイルとが電磁結合されてなる点火トランスと、
内燃機関の一点火サイクル中に、前記一次コイルの電流を複数回ＯＮ／ＯＦＦ制御して多重点火制御を実行するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移時に二次コイルに誘起される高電圧を受けて火花放電をする点火プラグと、
前記点火トランスの一次電圧又は二次電圧を検出する信号検出部と、
前記検出部が検出した検出電圧であって、十分な熱量を発生するべきタイミングにおける前記ＯＦＦ遷移時のピーク電圧値を判定して、そのレベルに基づいて、燃焼状態の良否を判定する燃焼判定部と、
前記燃焼判定部の判定結果に基づいて、その後の制御動作を実行する燃焼制御部とを有して構成されることを特徴とする燃焼制御装置。
前記信号検出部は、前記点火トランスの一次側電圧又は二次側電圧を検出している請求項１に記載の燃焼制御装置。
前記燃焼制御部は、前記燃焼判定部が判定した燃焼状態の良否に基づき、当該点火サイクルにおいて、点火動作を更に継続するか否か、或いは、継続する場合における燃焼制御内容を決定している請求項１に記載の燃焼制御装置。
前記燃焼制御部は、前記燃焼判定部が判定した燃焼状態の良否に基づき、次回以降の点火サイクルにおける燃焼制御内容を決定している請求項２に記載の燃焼制御装置。
前記燃焼判定部は、一点火サイクル中における、前記スイッチング素子の二度目のＯＦＦ遷移以後における前記ピーク電圧値の推移に基づいて燃焼状態を判定する請求項１に記載の燃焼制御装置。