JP2016205232A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼状態を良好に制御することができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】気筒の上部に配置された点火プラグと、気筒内にタンブル流を発生させるタンブル発生機構と、タンブル流に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備えた内燃機関の制御装置において、吸気弁の開弁から燃料噴射までの間の所定の時期に、点火プラグに通電して容量放電の電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段によって検出された電圧に応じて、燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を調節する調節手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１０

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関の筒内に設けられる点火プラグの放電電圧から、筒内ガスの流速を推定する方法が知られている。例えば、特許文献１には、点火プラグの放電電圧のうち、誘導放電の電圧に基づいて筒内ガスの流速を推定する制御が開示されている。この制御によって推定された筒内ガスの流速に基づいて燃料噴射や点火タイミングなどを調整することで、内燃機関の燃焼状態を良好に制御できる。

国際公開第２０１４／１４７７９５号 特開２００９−０３０５１５号公報

しかしながら、特許文献１に開示される制御において、筒内ガスの流速が速くなると、筒内の壁面に誘導放電のスパークが接触して、このスパークが分断されることがあった。このスパークが分断されると、放電電圧が検知できなくなり、筒内ガスの流速が推定できなくなる可能性がある。この結果、燃焼状態を良好に制御できなくなるおそれがある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃焼状態を良好に制御することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
気筒の上部に配置された点火プラグと、
気筒内にタンブル流を発生させるタンブル発生機構と、
前記タンブル流に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備えた内燃機関の制御装置において、
吸気弁の開弁から燃料噴射までの間の所定の時期に、前記点火プラグに通電して容量放電の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段によって検出された電圧に応じて、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を調節する調節手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃焼サイクルごとに確実にタンブル流の流速の推定を行うことができる。そして、推定された流速に応じて燃料噴射の貫徹力を調節することで、成層燃焼時の燃料の成層度合いを高めることができる。この結果、エンジンの燃焼状態を良好に制御することができる。

実施の形態１のエンジンにおける燃焼室の構造を表した図である。 実施の形態１で行われる成層燃焼について説明するための図である。 実施の形態１における点火システムを表した図である。 点火プラグの容量放電について説明するための図である。 点火プラグの誘導放電について説明するための図である。 容量放電と誘導放電とを比較するための図である。 実施の形態１において、コンデンサの電気エネルギの変化からタンブル流の流速を推定する方法について説明する図である。 実施の形態１における流速の推定方法について説明する図である。 流速を推定するタイミングについて説明する図である。 実施の形態１において、ＥＣＵで実行されるフローを表した図である。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１のエンジンにおける燃焼室の構造を表した図である。燃焼室１１は、シリンダブロック８、ピストン７、そしてペントルーフ５によって構成されている。燃焼室１１には、吸気ポート１及び排気ポート２が接続されている。吸気ポート１と燃焼室１１との接続部には、吸気弁３が設けられている。排気ポート２と燃焼室１１との接続部には、排気弁４が設けられている。吸気ポート１から燃焼室１１に吸気が流入すると、燃焼室１１においてタンブル流が生成する。なお、タンブル流を発生させるため、タンブルコントロールバルブを設けてもよい。

燃焼室１１には、筒内インジェクタ９が設けられている。また、燃焼室１１には、点火プラグ６が取り付けられている。点火プラグ６は、燃焼室天井部であるペントルーフ５の最上部に取り付けられている。

実施の形態１では、ピストン７の上面から筒内インジェクタ９に向かって吹き上げてくるタンブル流に衝突させるように燃料を噴射することで、成層燃焼が行われる。以下、この成層燃焼について、図２を参照して説明する。

図２は、実施の形態１で行われる成層燃焼について説明するための図である。図２には、燃焼室１１において発生しているタンブル流が実線の矢印によって表されている。また、筒内インジェクタ９からタンブル流に向けて噴射された燃料が、ピストン７の上面から点火プラグ６側に上昇している様子が破線の矢印によって表されている。このように、ピストン７の上面から吹き上げてくるタンブル流に噴霧燃料を衝突させると、その燃料をタンブル流の中心側に流れるように変化させることができる。タンブル流の中心付近は、その周囲に比べて低圧である。このため、タンブル流の中心側に流れた燃料は、その中心部分に保持され易い。この状態で圧縮行程を進行させれば、気筒内の上部中央、即ち、点火プラグ６の設置位置に濃度の高い混合気を成層することができる。このため、高い確率で良好な成層燃焼を得ることができる。以下、再び図１の説明を行う。

図１に示すように、実施の形態１のエンジンは、点火プラグ６の点火時期を制御するための点火システム１０を備えている。以下、この点火システム１０について、図３を参照して説明する。

図３は、実施の形態１における点火システム１０を表した図である。点火システム１０は、点火プラグ６から上流に向けて、点火コイル１４、サイリスタ１６、コンデンサ１８、昇圧回路２０、そして、バッテリ２２を備えている。以下、点火システム１０による点火プラグ６の点火制御について説明する。

まず、バッテリ２２の電圧１２Ｖが、昇圧回路２０によって２００Ｖに昇圧される。昇圧された電圧によって、コンデンサ１８に電気エネルギが蓄電される。コンデンサ１８に蓄えられた電気エネルギは、サイリスタ１６の高周波スイッチングがＯＮの場合に放出されて、点火コイル１４の一次側に通電し、点火コイル１４によって数１０ｋＶに昇圧される。点火コイル１４によって昇圧された電気エネルギは、点火コイル１４の二次側から放出されて、点火プラグ６に通電する。これによって、点火プラグ６からスパークが発生する。以下、再び図１の説明を行う。

図１には、エンジンの運転状態を制御する制御装置としてＥＣＵ１２（Electronic Control Unit）を備える。ＥＣＵ１２の出力側には、筒内インジェクタ９、点火システム１０などが接続されている。ＥＣＵ１２は、筒内インジェクタ９に信号を出力して、燃料の噴射タイミングを決定する。ＥＣＵ１２は、点火システム１０に信号を出力し、点火システム１０のサイリスタ１６のＯＮ／ＯＦＦを制御して、点火タイミングを決定する。

［点火プラグ６の放電電圧］
ところで、点火プラグ６の放電が行われる際に、容量放電と誘導放電という２種類の放電電圧が計測される。以下、これら２種類の放電電圧について、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、点火プラグ６の容量放電について説明するための図である。容量放電とは、点火プラグ６のギャップ部の空間の絶縁破壊に伴う現象である。以下、容量放電の発生原理について説明する。

まず、点火プラグ６に電圧が印加されることにより、点火プラグ６のギャップ部の空間に電流が流れるまで電圧が上昇する。これにより、点火プラグ６のギャップ部の空間の混合気がイオン化し、さらに温度上昇することによりギャップ部の空間の絶縁抵抗が低下する。その後、点火プラグ６のギャップ部の空間において絶縁破壊が発生し、電流が流れると、急激に電圧が降下する。これにより、図４の破線の枠内に示すような、電圧の変化、つまり容量放電が生じる。

図５は、点火プラグ６の誘導放電について説明するための図である。誘導放電とは、タンブル流によるスパークの断線と、スパークの再形成によって生じる現象である。より詳しくは、誘導放電は、点火プラグ６のスパークがタンブル流により流され伸長することで、点火プラグ６のギャップ部の空間の抵抗値が増加し、スパークが断線して電圧が上昇した後、点火コイル１４に十分な電気エネルギが残っている場合、スパークが再生成されて電圧が降下する現象である。

［タンブル流の流速の推定］
ここで、実施の形態１では、タンブル流の流速が、図４で説明した容量放電の電圧の変化に基づいて推定される。以下、実施の形態１において容量放電の電圧の変化に基づいてタンブル流の流速の推定が行われる理由について、図６を参照して説明する。

図６は、容量放電と誘導放電とを比較するための図である。図６には、容量放電のピーク（図６のＸ）が発生してから誘導放電のピーク（図６のＹ）が発生するまでの経過時間が、ｔ１で示されている。

ここで、仮に、点火プラグ６によるタンブル流速を、誘導放電の電圧の変化に基づいて推定するならば、上記の経過時間ｔ１とタンブル流の流速との比例関係からタンブル流の流速を推定することとなる。しかしながら、これは、タンブル流により流され一旦切れたスパークが再形成することを前提としている。このため、切れたスパークが再形成しない場合、タンブル流の流速を推定することができない。例えば、過給リーン燃焼コンセプトでは、高いタンブル比のポートが設定されているため、筒内流速が高く、又はスパークが流されすぎて燃焼室壁面と接触することで、スパーク分断後の再形成が発生しないサイクルが多発し、誘導放電電圧ではサイクルごとの流速計測が不可能となる。

一方、容量放電は点火ごとに常に発生するため、誘導放電のようにスパークの再形成がなくても検知することができる。さらに、容量放電は、放電の際の電気エネルギのすべてが絶縁破壊のための電圧に転化され、誘導放電よりも高い電圧が発生する。このため、例えば高タンブル下の成層燃焼においても、確実に点火プラグ６近傍における流速計測を実現することができる。

以下、実施の形態１における容量放電の電圧からタンブル流の流速を推定する方法について、図７、図８、図９を参照して説明する。

図７は、実施の形態１において、コンデンサ１８の電気エネルギの変化からタンブル流の流速を推定する方法について説明する図である。実施の形態１におけるタンブル流の流速の推定方法は、コンデンサ１８の時間経過に対する電気エネルギの変化率と、点火プラグ６の放出電圧のピーク値とが連動するという特性を利用している。

コンデンサ１８の電気エネルギ（Ｗ）は、下記式（１）によって求められる。ここで、Ｃはコンデンサ１８の容量であり、Ｖはコンデンサ１８の電圧である。
Ｗ（Ｊ）＝１／２×Ｃ（ｃ）×Ｖ^２（ｖ）・・・（１）

上記式（１）によれば、コンデンサ１８の電圧（Ｖ）を計測することで、蓄電された電気エネルギ（Ｗ）を計測できることがわかる。具体的には、エンジンのコイル容量やプラグ特性により計測タイミング（ｔ_２）を固定し、そのときのコンデンサ１８の電圧Ｖ_２を測定する。そして、放電直前のコンデンサ１８の電圧Ｖ_１ ^２（２００^２（Ｖ））と放電終了直後の電圧Ｖ_２ ^２の差分（Ｖ_１ ^２−Ｖ_２ ^２）が、点火プラグ６の放電電圧のピーク値と比例する。ここで、点火プラグ６近傍のタンブル流の流速が速いほど、点火プラグ６のギャップ部の空間の絶縁破壊抵抗が大きくなるため、スパーク発生時の点火プラグ６の放電電圧のピーク値が大きくなる。実施の形態１では、コンデンサ１８の電気エネルギの変化からこの放電電圧のピーク値を算出して、間接的に点火プラグ６近傍のタンブル流の流速を推定している。

図８は、実施の形態１において、タンブル流の流速を推定するマップについて説明する図である。図８には、容量放電によって生じた電圧である中心電極電圧と、点火プラグ６のギャップ部の空間におけるタンブル流の流速との関係が表されている。この関係は、予め実験によって求められるものであり、ＥＣＵ１２にマップとして記憶されている。

図９は、流速を推定するタイミングについて説明する図である。流速を推定するためには、Ｓ／Ｎ比が高い値、すなわち、高いピーク電圧値で推定するのが望ましい。そのため、実施の形態１では、吸気行程でピストンの降下スピードが最大（すなわち、吸気流速が大）となる吸気上死点から９０ｄｅｇ（２７０ＢＴＤＣ）までの間の所定の時期において、タンブル流の流速推定のための点火が行われる。上記の所定の時期において点火プラグ６の点火を行うことで、計測精度が向上する。

以下、実施の形態１のＥＣＵ１２で実行される具体的な処理について、図１０を参照して説明する。

［具体的処理］
図１０は、実施の形態１において、ＥＣＵ１２で実行されるフローを表した図である。ＥＣＵは、本フローを記憶するためのメモリーを有している。ＥＣＵ１２は、記憶した本フローを実行するためのプロセッサを有している。

まず、ＥＣＵ１２は、サイクルごとにピストン速度最大となる２７０ＢＴＤＣにて放電を行う（Ｓ１００）。

次に、ＥＣＵ１２は、各気筒の点火システム１０のコンデンサ１８の電圧変化からタンブル流の流速を算出する（Ｓ１０２）。

次に、ＥＣＵ１２は、一定サイクル間の平均流速を気筒ごとに算出する（Ｓ１０４）。

次に、ＥＣＵ１２は、タンブル流の流速の遅い気筒があるか否かを判定する（Ｓ１０６）。タンブル流の遅い気筒がないと判定された場合、本フローは終了する。

一方、ＥＣＵ１２は、Ｓ１０６においてタンブル流の流速の遅い気筒があると判定した場合、タンブル流の流速が遅い気筒において、燃料噴射の回数を分割して燃料噴射量を減少させる、又は、燃圧を低下させることで、噴射される燃料の貫徹力を小さくする（Ｓ１０８）。その後、本フローは終了する。

実施の形態１のタンブル流の流速の推定方法によれば、燃焼サイクルごとに確実にタンブル流の流速の推定を行うことができる。そして、上記推定方法によって推定された流速に応じて燃料噴射の貫徹力を調節することで、成層燃焼時の燃料の成層度合いを高めることができる。この結果、エンジンの燃焼状態を良好に制御することができる。

図１０で説明した具体的処理において、タンブル流の流速の遅い気筒を特定して、その気筒の噴霧貫徹力を小さくしたが、これに限るものではない。例えば、タンブル流の流速が速い気筒を特定して、その気筒の噴霧貫徹力を大きくするために、燃料噴射の噴射量を増加させる、又は、燃圧を上昇させてもよい。

１ 吸気ポート
３ 吸気弁
６ 点火プラグ
９ 筒内インジェクタ
１０ 点火システム
１１ 燃焼室
１２ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 気筒の上部に配置された点火プラグと、
   気筒内にタンブル流を発生させるタンブル発生機構と、
   前記タンブル流に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備えた内燃機関の制御装置において、
   吸気弁の開弁から燃料噴射までの間の所定の時期に、前記点火プラグに通電して容量放電の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段によって検出された電圧に応じて、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を調節する調節手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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