JP2016014348A - レーザ点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ点火装置が汚染している場合に混合気が点火しにくくなることを適切に抑制することが可能なレーザ点火式エンジンの制御装置を提供する。【解決手段】レンズ１１ｄによって集光されたレーザ光を出射するレーザ点火装置１１を用いて点火するレーザ点火式エンジンの制御装置（ＥＣＵ５０）であって、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定する汚染判定部５２と、汚染判定部５２によってレーザ点火装置１１が汚染していないと判定された場合には、レーザ点火装置１１のレーザ出力を基準レーザ出力に設定し、汚染判定部５２によってレーザ点火装置１１が汚染していると判定された場合には、レーザ点火装置１１のレーザ出力を少なくとも基準レーザ出力よりも増加させるレーザ出力制御部５３と、を有する。【選択図】図１１

Description

本発明は、レーザ点火式エンジンの制御装置に係わり、特に、レンズによって集光されたレーザ光を出射するレーザ点火装置を用いて点火するレーザ点火式エンジンの制御装置に関する。

従来から、エンジンの点火装置として、レーザ光源によって発生されたレーザ光をレンズで集光し、この集光したレーザ光によって燃焼室内の混合気を点火するレーザ点火装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開昭６３−２５３１１１号公報

上記したようなレーザ点火装置では、レーザ光を燃焼室に導く部品（例えばレンズや光学窓や連通路など）にオイルなどが付着して汚染が発生する場合がある。その場合、汚れによりレーザ光の通過が妨げられて、レーザ点火装置から出射されるレーザ光のエネルギーが低下して、燃焼室内の混合気が点火しにくくなる可能性がある。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、レーザ点火装置が汚染している場合に混合気が点火しにくくなることを適切に抑制することが可能なレーザ点火式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、レンズによって集光されたレーザ光を出射するレーザ点火装置を用いて点火するレーザ点火式エンジンの制御装置であって、レーザ点火装置が汚染しているか否かを判定する汚染判定手段と、汚染判定手段によってレーザ点火装置が汚染していないと判定された場合には、レーザ点火装置のレーザ出力を基準レーザ出力に設定し、汚染判定手段によってレーザ点火装置が汚染していると判定された場合には、レーザ点火装置のレーザ出力を少なくとも基準レーザ出力よりも増加させるレーザ出力制御手段と、を有することを特徴とする。
このように構成された本発明においては、レーザ点火装置が汚染していると判定された場合に、レーザ点火装置のレーザ出力を、レーザ点火装置が汚染していない場合に用いる基準レーザ出力よりも増加させるので、燃焼室内の混合気を確実に点火させることができる。

本発明において、好ましくは、エンジンは、所定の第１運転領域においては混合気の自着火による燃焼である圧縮自己着火燃焼を行い、この第１運転領域とは異なる第２運転領域においてはレーザ点火装置の点火による強制燃焼である点火燃焼を行う圧縮自己着火式ガソリンエンジンであり、汚染判定手段は、エンジンにおいて圧縮自己着火燃焼が所定時間以上継続して行われた場合に、レーザ点火装置が汚染していると判定する。
このように構成された本発明においては、圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、圧縮自己着火燃焼を実施した場合にはレーザ点火装置が汚染しやすいことを考慮し、圧縮自己着火燃焼が所定時間以上継続して行われた場合にレーザ点火装置が汚染していると判定するので、レーザ点火装置の汚染を的確に判断することができる。したがって、本発明によれば、レーザ点火装置のレーザ出力を基準レーザ出力よりも増加させる制御を適切なタイミングで実行することができ、無駄なエネルギーの消費を抑制することが可能となる。

本発明において、好ましくは、レーザ出力制御手段は、汚染判定手段によってレーザ点火装置が汚染していると判定された場合に、レーザ点火装置のレーザ出力を、レーザ点火装置の汚染を除去可能なレーザ出力まで増加させ、レーザ点火装置の汚染を除去した後に、レーザ点火装置のレーザ出力を基準レーザ出力に戻す。
このように構成された本発明においては、レーザ点火装置が汚染していると判定された場合に、汚染を除去可能な高いレーザ出力にまでレーザ点火装置のレーザ出力を増加させることにより、レーザ点火装置の汚染を適切に除去することができる。また、本発明によれば、レーザ点火装置の汚染を除去した後にレーザ出力を基準レーザ出力に戻すので、高いレーザ出力を継続して用いることによる無駄なエネルギーの消費を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、更に、エンジンの燃焼状態に関連する燃焼状態関連値を取得する燃焼状態関連値取得手段を有し、汚染判定手段は、燃焼状態関連値取得手段によって取得された燃焼状態関連値と、レーザ点火装置が汚染していない状態でのエンジンの燃焼状態に基づいて規定された燃焼状態判定値とを比較して、レーザ点火装置が汚染しているか否かを判定する。
このように構成された本発明においては、レーザ点火装置の汚染時と非汚染時とでエンジンの燃焼状態が変化することを考慮し、エンジンの燃焼状態に関連する燃焼状態関連値に基づいてレーザ点火装置が汚染しているか否かを判定するので、レーザ点火装置の汚染を的確に判断することができる。したがって、本発明によれば、レーザ点火装置のレーザ出力を基準レーザ出力よりも増加させる制御を適切なタイミングで実行することができ、無駄なエネルギーの消費を抑制することが可能となる。

本発明のレーザ点火式エンジンの制御装置によれば、レーザ点火装置が汚染している場合に混合気が点火しにくくなることを適切に抑制することができる。

本発明の実施形態によるエンジンの概略構成図である。 図２（Ａ）は、本発明の実施形態によるエンジンを上方から見た斜視図であり、図２（Ｂ）は、このエンジンの部分断面図である。 本発明の実施形態によるレーザ点火装置を概略的に示した平面図である。 本発明の実施形態によるレーザ点火装置が汚染した場合にエンジンの燃焼状態が変化する理由の説明図であって、レーザ点火装置及びピストンの一部分の拡大図である。 本発明の実施形態によるレーザ点火装置の汚染時及び非汚染時に得られた筒内圧の具体例を示す図である。 本発明の実施形態による汚染判定方法の第１の例の説明図である。 本発明の実施形態による汚染判定方法の第２の例の説明図である。 本発明の実施形態による汚染判定方法の第２の例における他の例の説明図である。 本発明の実施形態による汚染判定方法の第３の例の説明図である。 圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて圧縮自己着火燃焼及び点火燃焼のそれぞれが行われる運転領域の説明図である。 本発明の実施形態による制御フローを示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるレーザ点火式エンジンの制御装置について説明する。

１．装置構成
まず、図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、本発明の実施形態によるレーザ点火式エンジンの制御装置が適用されたエンジンの構成について説明する。図１は、本発明の実施形態によるエンジンの概略構成図であり、図２（Ａ）は、このエンジンを上方から見た斜視図であり（一部を透視して示している）、図２（Ｂ）は、このエンジンの部分断面図である。
なお、図１では、左に吸気側を示し、右に排気側を示しているが、図２（Ａ）及び（Ｂ）では、図１とは逆に、右に吸気側を示し、左に排気側を示している。また、図２（Ａ）及び（Ｂ）では、説明の便宜上、エンジンの構成要素の図示を適宜省略している。

図１に示すように、エンジン１は、吸気通路３から吸気（空気）が供給され、この吸気と燃料との混合気を燃焼させて車両の動力を発生し、この燃焼により発生した排気ガスを排気通路２１から排出する内燃機関である。例えば、エンジン１は、ガソリンエンジンである。
具体的には、エンジン１は、主に、吸気通路３から供給された吸気を燃焼室５内に導入するための吸気バルブ７と（図２（Ｂ）参照、図２（Ａ）では不図示）、燃焼室５に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁９と（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）、レーザ光を出射することにより、燃焼室５内に供給された吸気と燃料との混合気に点火するレーザ点火装置１１と（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）、燃焼室５内での混合気の燃焼により往復運動するピストン１３と、このピストン１３に一端が接続されたコンロッド１５と、このコンロッド１５の他端が接続され、ピストン１３の往復運動により回転されるクランクシャフト１７と、燃焼室５内での混合気の燃焼により発生した排気ガスを排気通路２１へ排出するための排気バルブ１９と（図２（Ｂ）参照、図２（Ａ）では不図示）、を有する。

また、エンジン１には、筒内の圧力である筒内圧を検出し、この筒内圧に応じた検出信号Ｓ３１を出力する筒内圧センサ３１と、筒内に発生したイオン電流（燃焼時に発生するものである）を検出し、このイオン電流に応じた検出信号Ｓ３３を出力するイオン電流センサ３３と、クランクシャフト１７の回転角度に相当するクランクアングルを検出し、このクランクアングルに応じた検出信号Ｓ３５を出力するクランクアングルセンサ３５と、が設けられている。詳しくは、クランクアングルセンサ３５は、クランクアングルに応じたパルス状の信号（以下では適宜「クランクアングル信号」と呼ぶ。）を、検出信号Ｓ３５として出力する。

また、エンジン１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０によって種々の制御が行われる。ＥＣＵ５０は、機能的には、燃焼状態関連値取得部５１、汚染判定部５２、及びレーザ出力制御部５３を有する。
ＥＣＵ５０の燃焼状態関連値取得部５１は、筒内圧センサ３１が検出した筒内圧（検出信号Ｓ３１に対応する）、イオン電流センサ３３が検出したイオン電流（検出信号Ｓ３３に対応する）、及び、クランクアングルセンサ３５が検出したクランクアングル（クランクアングル信号としての検出信号Ｓ３５に対応する）のうちの少なくとも１以上を、エンジン１の燃焼状態を指し示す燃焼状態関連値として取得する。
ＥＣＵ５０の汚染判定部５２は、このように燃焼状態関連値取得部５１によって取得された燃焼状態関連値に基づいて、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定する。ＥＣＵ５０のレーザ出力制御部５３は、汚染判定部５２による判定結果に応じて、レーザ点火装置１１のレーザ出力を制御する。この場合、レーザ出力制御部５３は、レーザ点火装置１１に対して制御信号Ｓ１１を供給することで、レーザ出力を制御する。
以上説明したように、ＥＣＵ５０は、本発明における「レーザ点火式エンジンの制御装置」に相当する。

なお、ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＣＰＵ上で解釈実行される各種のプログラム（ＯＳなどの基本制御プログラムや、ＯＳ上で起動され特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む）、及びプログラムや各種のデータを格納するためのＲＯＭやＲＡＭの如き内部メモリを備えるコンピュータにより構成される。

次に、図３を参照して、本発明の実施形態によるレーザ点火装置１１について具体的に説明する。図３は、本発明の実施形態によるレーザ点火装置１１を概略的に示した平面図である。

図３に示すように、レーザ点火装置１１は、主に、レーザ光を発振する、半導体レーザなどのレーザ光源１１ａと、このレーザ光源１１ａから発振されたレーザ光を外部に出射するレーザ出射部１１ｃと、を有する。具体的には、レーザ出射部１１ｃは、その先端部付近に集光レンズとしてのレンズ１１ｄが設けられており、レーザ光源１１ａから発振された平行光としてのレーザ光を、レンズ１１ｄによって集光させたレーザ光を外部に出射する。このレンズ１１ｄは、レーザ点火装置１１の外部の位置にレーザ光を集光する、つまりレーザ点火装置１１の外部に焦点を形成するように構成されている。

２．汚染判定方法
次に、本発明の実施形態においてＥＣＵ５０の汚染判定部５２が行う、レーザ点火装置１１の汚染を判定する方法（汚染判定方法）について説明する。

前述したように、レーザ点火装置１１では、燃焼室５内に配置された部分（例えばレンズ１１ｄなど）にオイルなどの汚れが付着する汚染が発生する場合がある。このようにレーザ点火装置１１が汚染した場合（例えばレンズ１１ｄが汚れた場合）、汚れによりレーザ光の通過が妨げられることで、レーザ点火装置１１が汚染していない場合と比べて、エンジン１の燃焼状態が変化する傾向にある。

図４を参照して、レーザ点火装置１１が汚染した場合にエンジン１の燃焼状態が変化する理由について具体的に説明する。図４は、本発明の実施形態によるエンジン１の一部分、具体的にはレーザ点火装置１１及びピストン１３の一部分の拡大図である。

図４に示すように、レーザ点火装置１１が汚染していない場合には、レーザ点火装置１１から出射されたレーザ光によって、位置Ｐ１１において着火する、つまり位置Ｐ１１が着火点となる。一方で、レーザ点火装置１１が汚染している場合には、レンズ１１ｄなどに付着したオイルなどの汚れによりレーザ光の通過が妨げられて、レーザ点火装置１１から出射されるレーザ光のエネルギーが低下するため、図４中の矢印Ａ１に示すように、レーザ点火装置１１が汚染していない場合の着火点Ｐ１１からピストン１３側（言い換えるとレンズ１１ｄの焦点側）に近付いた位置Ｐ１２において着火することとなる。なお、レーザ点火装置１１の汚染の度合いが大きい場合には、着火しない場合もある、つまり失火する場合もある。

このようなことから、レーザ点火装置１１が汚染している場合には、レーザ点火装置１１が汚染していない場合と比べて、エンジン１の燃焼状態が変化するのである。したがって、本実施形態では、エンジン１の燃焼状態に基づいて、レーザ点火装置１１の汚染を判定する。具体的には、ＥＣＵ５０の燃焼状態関連値取得部５１が、エンジン１の燃焼状態を指し示す燃焼状態関連値を取得して、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２が、この燃焼状態関連値に基づいて、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定する。この場合、レーザ点火装置１１が汚染していない状態でのエンジン１の燃焼状態に基づいて、燃焼状態関連値を判定するための燃焼状態判定値を事前に規定しておき、汚染判定部５２は、燃焼状態関連値取得部５１によって取得された燃焼状態関連値がこの燃焼状態判定値から乖離している場合に、レーザ点火装置１１が汚染していると判定する。

以下では、本発明の実施形態による汚染判定方法の具体例について説明する。

２−１．汚染判定方法の第１の例
まず、本実施形態による汚染判定方法の第１の例について説明する。その概要を述べると、第１の例では、ＥＣＵ５０の燃焼状態関連値取得部５１は、筒内圧センサ３１によって検出された筒内圧を燃焼状態関連値として取得し、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２は、レーザ点火装置１１が汚染していない状態において燃焼時に得られる筒内圧に基づいて規定された筒内圧判定値を燃焼状態判定値として用い、燃焼状態関連値取得部５１によって燃焼時に取得された筒内圧とこの筒内圧判定値とを比較して、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定する。

ここで、図５（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、レーザ点火装置１１の汚染時及び非汚染時に実際に得られた筒内圧の具体例を示して、レーザ点火装置１１の汚染時と非汚染時における筒内圧の違いについて説明する。

図５（Ａ）は、レーザ点火装置１１の非汚染時における、クランクアングルに対する筒内圧の変化を６０サイクル分重ねて示しており、図５（Ｂ）は、レーザ点火装置１１の非汚染時における、６０サイクルの各々の図示トルクを示している。他方で、図５（Ｃ）は、レーザ点火装置１１の汚染時における、クランクアングルに対する筒内圧の変化を６０サイクル分重ねて示しており、図５（Ｄ）は、レーザ点火装置１１の汚染時における、６０サイクルの各々の図示トルクを示している。
なお、図５（Ａ）〜（Ｄ）は、エンジン回転数及びエンジン負荷を一定とした場合に得られた結果の例を示している。また、図５（Ｃ）及び（Ｄ）は、レーザ点火装置１１の汚染の度合いが比較的大きい場合に得られた結果の例を示している。また、図５（Ａ）及び（Ｃ）中の符号ＣＡ１で示すクランクアングルの範囲において、エンジン１において燃焼が発生したものとする。

図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す結果と、図５（Ｃ）及び（Ｄ）に示す結果とを比較すると、レーザ点火装置１１の非汚染時と汚染時とで燃焼時における筒内圧が異なっていることがわかる。具体的には、レーザ点火装置１１の汚染時には、レーザ点火装置１１の非汚染時よりも燃焼時における筒内圧が低いサイクルが発生していることがわかる。特に図５（Ｄ）に示すように（破線領域参照）、レーザ点火装置１１の汚染時には、失火が発生しているサイクルが存在していることがわかる。
本実施形態による汚染判定方法の第１の例では、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示したような、レーザ点火装置１１の汚染時と非汚染時における燃焼時の筒内圧の違いを考慮して、筒内圧に基づいてレーザ点火装置１１の汚染を判定する。

次に、図６を参照して、本実施形態による汚染判定方法の第１の例について具体的に説明する。
図６において、実線で表したグラフＧ１１は、レーザ点火装置１１の非汚染時における、クランクアングルに対する筒内圧の変化の一例を示しており、破線で表したグラフＧ１２は、レーザ点火装置１１の汚染時における、クランクアングルに対する筒内圧の変化の一例を示している。このグラフＧ１２は、レーザ点火装置１１の汚染の度合いが比較的小さい場合（具体的には図５（Ｃ）及び（Ｄ）に示した場合よりも汚染の度合いが小さい場合）に得られた筒内圧を示している。

図６中の矢印Ａ１１に示すように、レーザ点火装置１１の汚染時には、レーザ点火装置１１の非汚染時よりも、燃焼時（クランクアングルＣＡ１１付近）における筒内圧が低くなる傾向にある。こうなるのは、レーザ点火装置１１の汚染時には、レーザ点火装置１１の非汚染時よりもピストン１３側に近付いた位置で着火するため（図４参照）、着火による火炎がピストン１３に接触するタイミングが早くなり冷却損失が大きくなることで、筒内圧が低下するからである。

したがって、本実施形態による汚染判定方法の第１の例では、レーザ点火装置１１の非汚染時において燃焼時に得られる筒内圧に基づいて筒内圧判定値を設定しておき、筒内圧センサ３１によって燃焼時に実際に検出された筒内圧がこの筒内圧判定値以下である場合に、レーザ点火装置１１が汚染していると判定する。具体的には、図６に示すように、レーザ点火装置１１の非汚染時において燃焼時に対応するクランクアングルＣＡ１１で得られる筒内圧ＣＰ１１に基づき、この筒内圧ＣＰ１１よりも所定値だけ小さい筒内圧ＣＰ１２を筒内圧判定値として設定しておく。そして、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２は、燃焼時に対応するクランクアングルＣＡ１１においてＥＣＵ５０の燃焼状態関連値取得部５１によって取得された筒内圧（つまり筒内圧センサ３１によって検出された筒内圧）が、筒内圧判定値ＣＰ１２以下である場合に、レーザ点火装置１１が汚染していると判定する。

なお、筒内圧判定値ＣＰ１２は、エンジン１の運転状態も考慮して設定される。例えば、エンジン１の負荷や、排気系から吸気系に還流させた排気ガスの流量（ＥＧＲ量）などを考慮して、筒内圧判定値ＣＰ１２が設定される。こうするのは、エンジン１の運転状態に応じて筒内圧の大きさが変動するため、異なる運転状態において同じ値の筒内圧判定値ＣＰ１２を用いると、レーザ点火装置１１の汚染を誤判定してしまう場合があるからである。１つの例では、エンジン１の運転状態ごとに筒内圧判定値ＣＰ１２を規定したマップを作成しておき、汚染判定部５２は、このマップを参照して、現在のエンジン１の運転状態に応じた筒内圧判定値ＣＰ１２を採用する。

なお、上記した第１の例では、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定していたが、これだけでなく、レーザ点火装置１１が汚染している度合いを更に判定してもよい。例えば、燃焼状態関連値取得部５１によって取得された筒内圧が筒内圧判定値ＣＰ１２から乖離している量に基づいて、レーザ点火装置１１が汚染している度合いを判定するとよい。

２−２．汚染判定方法の第２の例
次に、本実施形態による汚染判定方法の第２の例について説明する。その概要を述べると、第２の例では、ＥＣＵ５０の燃焼状態関連値取得部５１は、イオン電流センサ３３によって検出されたイオン電流を燃焼状態関連値として取得し、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２は、レーザ点火装置１１が汚染していない状態においてイオン電流が所定値に達するタイミングに基づいて規定されたタイミング判定値を燃焼状態判定値として用い、燃焼状態関連値取得部５１によって実際に取得されたイオン電流が当該所定値に達するタイミングとタイミング判定値とを比較して、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定する。

図７を参照して、このような本実施形態による汚染判定方法の第２の例について具体的に説明する。図７において、実線で表したグラフＧ２１は、レーザ点火装置１１の非汚染時におけるイオン電流の時間変化の一例を示しており、破線で表したグラフＧ２２は、レーザ点火装置１１の汚染時におけるイオン電流の時間変化の一例を示している。このグラフＧ２２は、レーザ点火装置１１の汚染の度合いが比較的小さい場合に得られたイオン電流を示している。

図７に示すように、レーザ点火装置１１の非汚染時には、タイミングＴ２１において、イオン電流が所定値ＩＣ２（例えば燃焼によりイオン電流がある程度上昇した際の値）に達するのに対して、レーザ点火装置１１の汚染時には、タイミングＴ２１よりも後のタイミングＴ２２において、イオン電流が所定値ＩＣ２に達する（なお、タイミングＴ２１、Ｔ２２は、例えばクランクアングルが圧縮トップとなっているタイミングなどを基準として規定される。後述するＴ２３も同様である。）。つまり、図７中の矢印Ａ２１に示すように、レーザ点火装置１１の汚染時には、レーザ点火装置１１の非汚染時よりも、イオン電流が所定値ＩＣ２に達するタイミングが遅れる傾向にある。こうなるのは、レーザ点火装置１１の汚染時には、レーザ点火装置１１の非汚染時よりもピストン１３側に近付いた位置で着火するため（図４参照）、着火による火炎がイオン電流センサ３３に到達するまでに時間がかかるからである。

したがって、本実施形態による汚染判定方法の第２の例では、レーザ点火装置１１の非汚染時においてイオン電流が所定値ＩＣ２に達するタイミングＴ２１に基づき、このタイミングＴ２１から所定時間だけ遅らせたタイミングＴ２３をタイミング判定値として設定しておく。そして、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２は、ＥＣＵ５０の燃焼状態関連値取得部５１によって取得されたイオン電流（つまりイオン電流センサ３３によって検出されたイオン電流）が所定値ＩＣ２に達するタイミングが、タイミング判定値Ｔ２３よりも遅い場合に、レーザ点火装置１１が汚染していると判定する。
なお、レーザ点火装置１１の汚染の度合いが大きい場合にはイオン電流が所定値ＩＣ２にそもそも達しない可能性があるが（この場合にはイオン電流が所定値ＩＣ２に達するタイミングが得られない）、そのようにイオン電流が所定値ＩＣ２に達しない場合には、レーザ点火装置１１が汚染していると判定するのがよい。

ここで、本実施形態による汚染判定方法の第２の例における他の例について説明する。第２の例における他の例では、上記したタイミング判定値Ｔ２３の代わりに、レーザ点火装置１１の非汚染時に得られるイオン電流に基づいて規定されたイオン電流判定値を、燃焼状態判定値として用い、燃焼状態関連値取得部５１によって取得されたイオン電流とこのイオン電流判定値とを比較して、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定する。

図８を参照して、上記した本実施形態による汚染判定方法の第２の例における他の例について具体的に説明する。図８において、実線で表したグラフＧ３１は、レーザ点火装置１１の非汚染時におけるイオン電流の時間変化の一例を示しており、破線で表したグラフＧ３２は、レーザ点火装置１１の汚染時におけるイオン電流の時間変化の一例を示している。このグラフＧ３２は、レーザ点火装置１１の汚染の度合いがかなり大きい場合（具体的には図７に示した場合よりも汚染の度合いがかなり大きい場合）に得られたイオン電流を示している。

図８に示すように、レーザ点火装置１１の汚染時には、レーザ点火装置１１の非汚染時よりもイオン電流が低くなる。より詳しくは、この場合には、レーザ点火装置１１の汚染の度合いがかなり大きいため、エンジン１において失火が発生しており、イオン電流センサ３３によってイオン電流がほとんど検出されない。

本実施形態による汚染判定方法の第２の例における他の例では、図８に示すように、レーザ点火装置１１の非汚染時において燃焼時に得られるイオン電流よりも所定値だけ小さい値をイオン電流判定値ＩＣ３として設定しておき、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２は、ＥＣＵ５０の燃焼状態関連値取得部５１によって燃焼時に取得されたイオン電流（つまりイオン電流センサ３３によって検出されたイオン電流）がこのイオン電流判定値ＩＣ３以下である場合に、レーザ点火装置１１が汚染していると判定する。例えば、イオン電流判定値ＩＣ３は、レーザ点火装置１１の非汚染時において燃焼時の所定のタイミングで得られるイオン電流よりも所定値だけ小さい値に設定され、汚染判定部５２は、燃焼状態関連値取得部５１によってこの所定のタイミングで取得されたイオン電流がイオン電流判定値ＩＣ３以下である場合に、レーザ点火装置１１が汚染していると判定する。

なお、第２の例で用いるタイミング判定値Ｔ２３及びイオン電流判定値ＩＣ３は、エンジン１の運転状態も考慮して設定される。例えば、エンジン１の負荷や、排気系から吸気系に還流させた排気ガスの流量（ＥＧＲ量）などを考慮して、タイミング判定値Ｔ２３及びイオン電流判定値ＩＣ３が設定される。こうするのは、エンジン１の運転状態に応じてイオン電流の大きさが変動するため、異なる運転状態において同じ値のタイミング判定値Ｔ２３及びイオン電流判定値ＩＣ３を用いると、レーザ点火装置１１の汚染を誤判定してしまう場合があるからである。１つの例では、エンジン１の運転状態ごとにタイミング判定値Ｔ２３及びイオン電流判定値ＩＣ３を規定したマップを作成しておき、汚染判定部５２は、このマップを参照して、現在のエンジン１の運転状態に応じたタイミング判定値Ｔ２３及びイオン電流判定値ＩＣ３を採用する。

また、上記した第２の例では、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定していたが、これだけでなく、レーザ点火装置１１が汚染している度合いを更に判定してもよい。例えば、燃焼状態関連値取得部５１によって取得されたイオン電流が所定値ＩＣ２に達するタイミングがタイミング判定値Ｔ２３から乖離している量、或いは、燃焼状態関連値取得部５１によって取得されたイオン電流がイオン電流判定値ＩＣ３から乖離している量に基づいて、レーザ点火装置１１が汚染している度合いを判定するとよい。

２−３．汚染判定方法の第３の例
次に、本実施形態による汚染判定方法の第３の例について説明する。その概要を述べると、第３の例では、ＥＣＵ５０の燃焼状態関連値取得部５１は、クランクアングルセンサ３５からのクランクアングル信号を燃焼状態関連値として取得し、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２は、レーザ点火装置１１が汚染していない状態において燃焼時に得られるクランクアングル信号のパルス幅に基づいて規定されたパルス幅判定値を燃焼状態判定値として用い、燃焼状態関連値取得部５１によって燃焼時に取得されたクランクアングル信号のパルス幅とこのパルス幅判定値とを比較して、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定する。

図９を参照して、このような本実施形態による汚染判定方法の第３の例について具体的に説明する。図９において、実線で表したグラフＧ４１は、レーザ点火装置１１の非汚染時における燃焼時のクランクアングル信号の一例を示しており、破線で表したグラフＧ４２は、レーザ点火装置１１の汚染時における燃焼時のクランクアングル信号の一例を示している。

図９に示すように、レーザ点火装置１１の非汚染時には、燃焼時のクランクアングル信号はパルス幅Ｗ４１を有しているのに対して、レーザ点火装置１１の汚染時には、燃焼時のクランクアングル信号は、パルス幅Ｗ４１よりも大きいパルス幅Ｗ４２となっている。つまり、レーザ点火装置１１の汚染時には、レーザ点火装置１１の非汚染時よりもクランクアングル信号のパルス幅が大きくなる。こうなるのは、レーザ点火装置１１の汚染時には、レーザ点火装置１１の非汚染時よりもピストン１３側に近付いた位置で着火するため（図４参照）、着火による火炎がピストン１３に接触するタイミングが早くなり冷却損失が大きくなることで、クランクシャフト１７の回転速度が遅くなったからである。

したがって、本実施形態による汚染判定方法の第３の例では、図９に示すように、レーザ点火装置１１が汚染していない状態において燃焼時に得られるクランクアングル信号のパルス幅Ｗ４１に基づき、このパルス幅Ｗ４１よりも所定値だけ大きいパルス幅Ｗ４３をパルス幅判定値として設定しておく。そして、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２は、ＥＣＵ５０の燃焼状態関連値取得部５１によって取得されたクランクアングル信号（つまりクランクアングルセンサ３５からのクランクアングル信号）のパルス幅がこのパルス幅判定値Ｗ４３以上である場合に、レーザ点火装置１１が汚染していると判定する。なお、レーザ点火装置１１の汚染の度合いが大きい場合には失火する可能性があるが、この場合には、取得されるクランクアングル信号のパルス幅が大きくなるため、上記したパルス幅判定値Ｗ４３を用いて、このレーザ点火装置１１の汚染を的確に判定することができる。

なお、パルス幅判定値Ｗ４３は、エンジン１の運転状態も考慮して設定される。例えば、エンジン１の負荷や、排気系から吸気系に還流させた排気ガスの流量（ＥＧＲ量）などを考慮して、パルス幅判定値Ｗ４３が設定される。こうするのは、エンジン１の運転状態に応じてクランクアングル信号のパルス幅の大きさが変動するため、異なる運転状態において同じ値のパルス幅判定値Ｗ４３を用いると、レーザ点火装置１１の汚染を誤判定してしまう場合があるからである。１つの例では、エンジン１の運転状態ごとにパルス幅判定値Ｗ４３を規定したマップを作成しておき、汚染判定部５２は、このマップを参照して、現在のエンジン１の運転状態に応じたパルス幅判定値Ｗ４３を採用する。

なお、上記した第３の例では、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定していたが、これだけでなく、レーザ点火装置１１が汚染している度合いを更に判定してもよい。例えば、燃焼状態関連値取得部５１によって取得されたクランクアングル信号のパルス幅がパルス幅判定値Ｗ４３から乖離している量に基づいて、レーザ点火装置１１が汚染している度合いを判定するとよい。

２−４．汚染判定方法の第４の例
次に、本実施形態による汚染判定方法の第４の例について説明する。上述した本実施形態による汚染判定方法の第１〜第３の例では、レーザ点火装置１１の汚染時と非汚染時とでエンジン１の燃焼状態が変化することを考慮して、エンジン１の燃焼状態に関連する燃焼状態関連値を筒内圧センサ３１やイオン電流センサ３３やクランクアングルセンサ３５から取得して、この燃焼状態関連値に基づいてレーザ点火装置１１の汚染を判定していた。
これに対して、本実施形態による汚染判定方法の第４の例では、エンジン１の運転履歴に基づいてレーザ点火装置１１の汚染を判定する。つまり、本実施形態による汚染判定方法の第４の例では、センシングによってレーザ点火装置１１の汚染を判定するのではなく、レーザ点火装置１１の汚染を生じさせる要因となったエンジン１の運転履歴に基づいて、レーザ点火装置１１の汚染を判定する。具体的には、本実施形態による汚染判定方法の第４の例は、圧縮した混合気の自着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous-Charge Compression Ignition）による燃焼である圧縮自己着火燃焼と、点火（ＳＩ：Spark Inginition）による強制燃焼である点火燃焼とを実施する圧縮自己着火式ガソリンエンジンとしてのエンジン１に適用され、この圧縮自己着火式ガソリンエンジンの運転履歴に基づいてレーザ点火装置１１の汚染を判定する。

図１０を参照して、圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて圧縮自己着火燃焼及び点火燃焼のそれぞれが行われる運転領域について説明する。図１０は、横軸にエンジン回転数を示し、縦軸にエンジン負荷を示している。図１０において、領域Ｒ１１は、圧縮自己着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）が行われる運転領域（第１運転領域に相当する）を示しており、領域Ｒ１２は、点火燃焼（ＳＩ燃焼）が行われる運転領域（第２運転領域に相当する）を示している。ここで、圧縮自己着火燃焼を行う場合、エンジン１の圧縮比を高めるが、圧縮比が高いと、絶縁破壊を利用する火花点火プラグでは点火させにくい。そのため、圧縮自己着火燃焼を行う場合には、図１に示したエンジン１のように、レーザ光を用いて点火させるレーザ点火装置１１を用いるのが好適である。

上記のような圧縮自己着火燃焼を行った場合、燃焼温度が低いため、レーザ点火装置１１が汚染しやすい。したがって、本実施形態による汚染判定方法の第４の例では、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２は、圧縮自己着火燃焼を実施した履歴に基づいて、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定する。具体的には、汚染判定部５２は、エンジン１において圧縮自己着火燃焼が所定時間以上継続して実施された場合に、一義的に、レーザ点火装置１１が汚染していると判定する。１つの例では、汚染判定部５２は、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて圧縮自己着火燃焼の実施を判断して、この圧縮自己着火燃焼が所定時間以上継続して実施されたか否かを判定する。他の例では、汚染判定部５２は、レーザ点火装置１１を駆動させずに行われた燃焼を圧縮自己着火燃焼と判断して、この圧縮自己着火燃焼が所定時間以上継続して実施されたか否かを判定する。

３．レーザ出力制御方法
次に、本発明の実施形態においてＥＣＵ５０のレーザ出力制御部５３が行う、レーザ点火装置１１のレーザ出力を制御する方法（レーザ出力制御方法）について説明する。本実施形態では、レーザ出力制御部５３は、汚染判定部５２が上記した汚染判定方法（第１〜第４の例のいずれか）によってレーザ点火装置１１が汚染していると判定した場合に、レーザ点火装置１１のレーザ出力を、レーザ点火装置１１が汚染していない場合に設定する基準レーザ出力よりも増加させる。

１つの例では、レーザ出力制御部５３は、レーザ点火装置１１のレーザ出力を、汚染しているレーザ点火装置１１でも混合気を確実に点火させることが可能なレーザ出力（以下では「第１レーザ出力」と呼ぶ。）にまで増加させる。この場合、レーザ出力制御部５３は、エンジン１の運転状況（エンジン負荷など）や、上記したように汚染判定部５２によって判定されたレーザ点火装置１１の汚染度合いなどに基づいて、混合気を確実に点火させるのに必要なレーザ出力を求めて、この求めたレーザ出力を第１レーザ出力として用いる。

他の例では、レーザ出力制御部５３は、レーザ点火装置１１のレーザ出力を、レーザ点火装置１１の汚染を除去可能な高いレーザ出力（以下では「第２レーザ出力」と呼ぶ。）にまで増加させる。このような高出力の第２レーザ出力にてレーザ点火装置１１からレーザ光を出射させると、レーザ点火装置１１において燃焼室５内に配置された部分（レンズ１１ｄなど）に付着した汚れが、光を吸収して燃焼することにより除去される。この場合、基本的には第２レーザ出力は第１レーザ出力よりも高いので、上記した第１レーザ出力を用いた場合と同様に、混合気は確実に点火されることとなる。
具体的には、レーザ出力制御部５３は、エンジン１の運転状況（エンジン負荷など）や、上記したように汚染判定部５２によって判定されたレーザ点火装置１１の汚染度合いなどに基づいて、レーザ点火装置１１の汚染を除去するのに必要なレーザ出力を求めて、この求めたレーザ出力を第２レーザ出力として用いる。また、このような第２レーザ出力にてレーザ点火装置１１からレーザ光を出射させている間に、汚染判定部５２にレーザ点火装置１１の汚染を常時判定させ、レーザ出力制御部５３は、汚染判定部５２によってレーザ点火装置１１が汚染していないと判定された際に、レーザ点火装置１１のレーザ出力を第２レーザ出力から基準レーザ出力へと戻す。つまり、レーザ出力制御部５３は、レーザ点火装置１１の汚染が除去されるまで、レーザ点火装置１１のレーザ出力を第２レーザ出力に設定し続け、レーザ点火装置１１の汚染が除去されると、レーザ点火装置１１のレーザ出力を基準レーザ出力に戻す。

なお、圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、圧縮自己着火燃焼から点火燃焼に切り替える前に、上記した第２レーザ出力を用いてレーザ点火装置１１により予備点火するとよい。これにより、圧縮自己着火燃焼を実施している間にレーザ点火装置１１において発生した汚染を適切に除去することができる。

なお、エンジン１の運転状況によっては、レーザ点火装置１１のレーザ出力を第２レーザ出力に設定しなくても、レーザ点火装置１１の汚染が自然に除去される場合がある。例えば、筒内温度が高くなるような運転状況では、レーザ点火装置１１の汚染が自然に除去される場合がある。よって、第２レーザ出力よりも低い第１レーザ出力を用いた場合にも、レーザ点火装置１１の汚染が除去される場合がある。そのため、レーザ点火装置１１のレーザ出力を第１レーザ出力に設定している場合にも、汚染判定部５２にレーザ点火装置１１の汚染を常時判定させることとし、汚染判定部５２によってレーザ点火装置１１が汚染していないと判定された際に、レーザ点火装置１１のレーザ出力を第１レーザ出力から基準レーザ出力へと戻すのがよい。

４．制御フロー
次に、図１１を参照して、本発明の実施形態においてＥＣＵ５０が行う制御フローについて説明する。図１１は、本発明の実施形態による制御フローを示すフローチャートである。このフローは、ＥＣＵ５０によって所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１では、ＥＣＵ５０の燃焼状態関連値取得部５１が、エンジン１の燃焼状態に関連する燃焼状態関連値として、筒内圧、イオン電流及びクランクアングル信号のうちの少なくともいずれかを取得する。この場合、燃焼状態関連値取得部５１は、筒内圧センサ３１から筒内圧（検出信号Ｓ３１に対応する）を取得し、イオン電流センサ３３からイオン電流（検出信号Ｓ３３に対応する）を取得し、クランクアングルセンサ３５からクランクアングル信号（検出信号Ｓ３５に対応する）を取得する。そして、処理はステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２が、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定する。この場合、汚染判定部５２は、前述した第１〜第４の例による汚染判定方法のいずれかを行って、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定する（「２．汚染判定方法」のセクション参照）。その結果、レーザ点火装置１１が汚染していると判定した場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、処理はステップＳ３に進む。これに対して、レーザ点火装置１１が汚染していないと判定した場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、処理は終了する。

ステップＳ３では、ＥＣＵ５０のレーザ出力制御部５３が、レーザ点火装置１１のレーザ出力を、レーザ点火装置１１が汚染していない場合に設定する基準レーザ出力から増加させる。１つの例では、レーザ出力制御部５３は、レーザ点火装置１１のレーザ出力を、汚染しているレーザ点火装置１１でも混合気を確実に点火させることが可能な第１レーザ出力にまで増加させる。他の例では、レーザ出力制御部５３は、レーザ点火装置１１のレーザ出力を、レーザ点火装置１１の汚染を除去可能な第２レーザ出力にまで増加させる。そして、処理はステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、ＥＣＵ５０の汚染判定部５２が、上記したステップＳ２と同様にして、レーザ点火装置１１が汚染していないか否かを再度判定する。その結果、レーザ点火装置１１が汚染していないと判定した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、処理はステップＳ５に進む。この場合、ＥＣＵ５０のレーザ出力制御部５３が、レーザ点火装置１１のレーザ出力を基準レーザ出力に戻す（ステップＳ５）。そして、処理は終了する。
これに対して、レーザ点火装置１１が汚染していると判定した場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、処理はステップＳ３に戻る。この場合には、レーザ出力制御部５３は、上記したステップＳ３で設定した、基準レーザ出力よりも高いレーザ出力を維持する。レーザ出力制御部５３は、ステップＳ４でレーザ点火装置１１が汚染していないと判定されるまで、つまりレーザ点火装置１１の汚染が除去されるまで、基準レーザ出力よりも高いレーザ出力を維持する。

５．作用効果
次に、本発明の実施形態によるレーザ点火式エンジンの制御装置の作用効果について説明する。

本実施形態によれば、レーザ点火装置１１の汚染時と非汚染時とでエンジン１の燃焼状態が変化することを考慮し、筒内圧やイオン電流やクランクアングル信号などのエンジン１の燃焼状態に関連する燃焼状態関連値に基づいて、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定するので、レーザ点火装置１１の汚染を的確に判断することができる。また、本実施形態によれば、圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、圧縮自己着火燃焼を実施した場合にはレーザ点火装置１１が汚染しやすいことを考慮し、圧縮自己着火燃焼が実施された履歴に基づいて、レーザ点火装置１１が汚染しているか否かを判定するので、これによっても、レーザ点火装置１１の汚染を的確に判断することができる。

したがって、本実施形態によれば、レーザ点火装置１１の汚染に対する対処を適切なタイミングで実行することができ、無駄なエネルギーの消費を抑制することが可能となる。具体的には、レーザ点火装置１１のレーザ出力を基準レーザ出力よりも増加させる制御を、レーザ点火装置１１が汚染している場合にのみ実行することができ、レーザ出力を増加させることによるエネルギーの消費を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、レーザ点火装置１１が汚染していると判定された場合に、レーザ点火装置１１のレーザ出力を第１レーザ出力にまで増加させることにより、汚染しているレーザ点火装置１１によっても混合気を確実に点火させることができる。加えて、本実施形態によれば、レーザ点火装置１１が汚染していると判定された場合に、レーザ点火装置１１のレーザ出力を第２レーザ出力にまで増加させることにより、レーザ点火装置１１の汚染を適切に除去することができる。

また、本実施形態によれば、第２レーザ出力にてレーザ点火装置１１からレーザ光を出射させている間にレーザ点火装置１１の汚染を常に判定して、レーザ点火装置１１が汚染していないと判定された際にレーザ出力を第２レーザ出力から基準レーザ出力へと戻すので、第２レーザ出力を継続して用いることによるエネルギーの消費を抑制することができる。

１ エンジン
３ 吸気通路
５ 燃焼室
９ 燃料噴射弁
１１ レーザ点火装置
１１ｄ レンズ
１３ ピストン
１７ クランクシャフト
２１ 排気通路
３１ 筒内圧センサ
３３ イオン電流センサ
３５ クランクアングルセンサ
５０ ＥＣＵ
５１ 燃焼状態関連値取得部
５２ 汚染判定部
５３ レーザ出力制御部

Claims (4)

1. レンズによって集光されたレーザ光を出射するレーザ点火装置を用いて点火するレーザ点火式エンジンの制御装置であって、
   上記レーザ点火装置が汚染しているか否かを判定する汚染判定手段と、
   上記汚染判定手段によって上記レーザ点火装置が汚染していないと判定された場合には、上記レーザ点火装置のレーザ出力を基準レーザ出力に設定し、上記汚染判定手段によって上記レーザ点火装置が汚染していると判定された場合には、上記レーザ点火装置のレーザ出力を少なくとも上記基準レーザ出力よりも増加させるレーザ出力制御手段と、
   を有することを特徴とするレーザ点火式エンジンの制御装置。
2. 上記エンジンは、所定の第１運転領域においては混合気の自着火による燃焼である圧縮自己着火燃焼を行い、この第１運転領域とは異なる第２運転領域においては上記レーザ点火装置の点火による強制燃焼である点火燃焼を行う圧縮自己着火式ガソリンエンジンであり、
   上記汚染判定手段は、上記エンジンにおいて上記圧縮自己着火燃焼が所定時間以上継続して行われた場合に、上記レーザ点火装置が汚染していると判定する、請求項１に記載のレーザ点火式エンジンの制御装置。
3. 上記レーザ出力制御手段は、上記汚染判定手段によって上記レーザ点火装置が汚染していると判定された場合に、上記レーザ点火装置のレーザ出力を、上記レーザ点火装置の汚染を除去可能なレーザ出力まで増加させ、上記レーザ点火装置の汚染を除去した後に、上記レーザ点火装置のレーザ出力を上記基準レーザ出力に戻す、請求項１又は２に記載のレーザ点火式エンジンの制御装置。
4. 更に、上記エンジンの燃焼状態に関連する燃焼状態関連値を取得する燃焼状態関連値取得手段を有し、
   上記汚染判定手段は、上記燃焼状態関連値取得手段によって取得された燃焼状態関連値と、上記レーザ点火装置が汚染していない状態でのエンジンの燃焼状態に基づいて規定された燃焼状態判定値とを比較して、上記レーザ点火装置が汚染しているか否かを判定する、請求項１乃至３の何れか１項に記載のレーザ点火式エンジンの制御装置。

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