JP2023147398A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】火花点火式内燃機関において、エネルギの浪費を可及的に避けつつ、混合気を確実に着火燃焼させられるようにする。【解決手段】点火コイル１４の一次側コイル１４１に通電しその通電を遮断することで二次側コイル１４２に誘起される高電圧を点火プラグ１２の電極に印加して火花放電を惹起する火花点火式内燃機関であって、電源１６電圧を昇圧した上で前記一次側コイル１４１に印加する電圧コンバータ１８と、前記二次側コイル１４２から前記点火プラグ１２の電極に印加される電流または電圧の大きさを計測するセンサ１７と、前記センサ１７を介して計測した電流または電圧の推移に基づいて前記電圧コンバータ１８から前記一次側コイル１４１に印加する電圧の大きさを増減調整する制御部００とを具備する火花点火式内燃機関を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に動力源として搭載される火花点火式内燃機関に関する。

火花点火式内燃機関における、気筒に充填された混合気に着火するための点火プラグは、点火コイルにて発生する誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で絶縁破壊による放電を惹起する。

点火コイルに通電する電気回路上には、半導体スイッチング素子を有するイグナイタが設けられている。イグナイタの半導体スイッチを点弧する（ＯＮ状態（導通状態）とする）と、点火コイルの一次側コイルに電流が流れる。一次側コイルを流れる一次電流は、半導体スイッチを点弧している間逓増する。そして、然るべき火花点火のタイミングにて半導体スイッチを消弧する（ＯＦＦ状態（非導通状態）とする）と、一次電流が遮断され、その瞬間の自己誘導作用により点火コイルの一次側コイルに高電圧が発生する。さすれば、一次側コイルと磁気回路及び磁束を共有する二次側コイルに、さらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグの中心電極に印加されることにより、中心電極と接地電極との間に放電が発生する（下記特許文献を参照）。

特開２０１９－０７８２６８号公報

近時、燃費性能の一層の向上を目論み、燃料噴射量を削減し空燃比リーンの混合気を燃焼させて内燃機関をファイアリング運転する、いわゆる「リーンバーン」が試みられている。空燃比リーンの混合気は、ストイキオメトリの混合気と比較して着火燃焼しにくい。そのような混合気に確実に点火するためには、点火コイルから点火プラグに与える電気エネルギをより増大させることが求められる。

とは言え、単純に点火コイルに印加する電圧を高く設定するだけでは、不必要なエネルギの浪費を招く可能性がある。加えて、点火コイルやイグナイタを含む火花点火装置に対する熱害も無視できない。

リーンバーンに限らず、内燃機関の気筒内では、一旦点火プラグの中心電極と接地電極との間に放電が発生したにもかかわらず、強い筒内流動（例えば、気筒の吸気ポート側から排気ポート側へと向かうタンブル流）によって放電路が切断される「吹き消え」が起こることがある（これは、火炎が消える失火とは異なる）。火花放電が吹き消えたとしても、点火コイルにある程度以上の電気エネルギが残留していれば、再度点火プラグの電極間で放電が発生する。また、吹き消えが起こったとしても、既に火炎核が十分な大きさの火炎まで成長していれば、その燃え広がりが失われることはない。

だが、火花点火の直後の時期に吹き消えが起こった場合には、混合気に着火できないおそれがある。

本発明は、火花点火式内燃機関において、エネルギの浪費を可及的に避けつつ、混合気を確実に着火燃焼させられるようにすることを所期の目的としている。

本発明では、点火コイルの一次側コイルに通電しその通電を遮断することで二次側コイルに誘起される高電圧を点火プラグの電極に印加して火花放電を惹起する火花点火式内燃機関であって、電源電圧を昇圧した上で前記一次側コイルに印加する電圧コンバータと、前記二次側コイルから前記点火プラグの電極に印加される電流または電圧の大きさを計測するセンサと、前記センサを介して計測した電流または電圧の推移に基づいて前記電圧コンバータから前記一次側コイルに印加する電圧の大きさを増減調整する制御部とを具備する火花点火式内燃機関を構成した。

特に、前記制御部は、火花放電開始後の所定の評価期間中に前記二次側コイルから前記点火プラグの電極に印加される電流または電圧の大きさが閾値を下回ったことを条件として、次回以降の点火機会に前記電圧コンバータから前記一次側コイルに印加する電圧をそれまでよりも増大させる。

本発明によれば、火花点火式内燃機関において、エネルギの浪費を可及的に避けつつ、混合気を確実に着火燃焼させることが可能となる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御部の概要を示す図。 同実施形態の内燃機関の火花点火装置の回路図。 同実施形態の内燃機関の制御部がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。 同実施形態の制御部が参照する二次電流または二次電圧の波形を例示するタイミング図。 同実施形態の制御部が参照する二次電流または二次電圧の波形を例示するタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の火花点火式内燃機関は、ポート噴射型の４ストロークレシプロエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒エンジン。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気バルブよりも上流、各気筒１に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。

また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。図２に、本実施形態の内燃機関の火花点火装置を示す。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起する。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

点火コイル１４は、一次側コイル１４１と二次側コイル１４２とが対をなすものである。その一次側コイル１４１は、イグナイタ１３を介して車載の蓄電装置１６に接続する。イグナイタ１３を構成する半導体スイッチは、例えばパワートランジスタやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等である。電源である蓄電装置１６は、バッテリ（鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素バッテリ、その他）やキャパシタ等である。一次側コイル１４１と二次側コイル１４２との間に介在するノイズ防止用のダイオード１５は、二次側１４２から一次側１４１への逆流を防ぐ。

点火コイル１４に付設したイグナイタ１３が、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉを受けると、まずその半導体スイッチ１３が点弧して、蓄電装置１６から供給される直流電圧を点火コイル１４の一次側コイル１４１に印加し、一次側コイル１４１への通電を開始する。蓄電装置１６及び一次側コイル１４１を含む一次側の電気回路をＲＬ直列回路と仮定すると、ｔ＝０時点にて直流電圧Ｅを印加したときに一次側コイル１４１を流れる一次電流Ｉ（ｔ）は、
Ｉ（ｔ）≒｛１－ｅ^-(R/L)t｝Ｅ／Ｒ
となる。即ち、過渡現象として一次電流Ｉ（ｔ）は逓増する（が、通電の開始からある程度以上の時間が経過するとその増加の速さは衰え、最終的に一次電流Ｉ（ｔ）はＥ／Ｒに飽和することになる）。

一次電流が必要十分に大きくなった状態で、ＥＣＵ０は、気筒１に充填された混合気への点火タイミングに合わせて半導体スイッチ１３を消弧し、以て一次側コイル１４１への通電を遮断する。すると、自己誘導作用が起こり、一次側コイル１４１に高電圧が発生する。そして、点火コイル１４の一次側コイル１４１と二次側コイル１４２とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側コイル１４２にさらに高い誘導電圧が発生する。その高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加されて、中心電極と接地電極との間で絶縁破壊による放電が起こる。

なお、本実施形態では、蓄電装置１６と点火コイル１４の一次側コイル１４１との間に、電圧コンバータであるＤＣ／ＤＣコンバータ１８を介設している。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、蓄電装置１６の端子電圧を昇圧した上で一次側コイル１４１に印加する。例えば、蓄電装置１６が出力する１２Ｖの電圧を、１４Ｖないし４５Ｖに昇圧して一次側コイル１４に印加することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力電圧の大きさは、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）００により制御する。ＤＳＰ００は、ＥＣＵ０に内蔵していてもよく、ＥＣＵ０とは別体でＥＣＵ０に接続していてもよいが、何れにせよＥＣＵ０とともに本実施形態における制御部を構成する。

二次側コイル１４２と点火プラグ１２との間には、当該点火プラグ１２の電極に印加される電流（または、電圧）の大きさを計測するための電流センサ（または、電圧センサ）１７を設けている。

点火プラグ１２、イグナイタ１３、点火コイル１４及びセンサ１７は、各気筒１に個別のものであり、内燃機関の気筒数と同数存在する。一方、蓄電装置１６、ＥＣＵ０、ＤＳＰ００及びＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、各気筒１で共用する共通のものであって、気筒数によらず一基ずつ存在する。

吸気を気筒１に供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配設している。

排気を気筒１から排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配設している。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、排気通路４と吸気通路３とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における触媒４１の下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）に接続している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵやコントローラ等が、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷率またはエンジントルク）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｄ、気筒１に連なる吸気通路３（特に、サージタンク３３またはサージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関１の気筒１１を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出する振動式のノックセンサ１３から出力される振動信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、気筒１から排出され排気通路４を流れるガスの空燃比を検出する空燃比センサ（リニアＡ／ＦセンサまたはＯ₂センサ）から出力される空燃比信号ｈ、気筒１の点火プラグ１２の電極に印加される電流（または、電圧）の大きさを検出するセンサ１７から出力される二次電流（または、二次電圧）信号ｏ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、火花点火装置のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＤＣ／Ｄコンバータ１８に対して出力電圧の制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、気筒１に吸入される空気量に見合った要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング（一度の燃焼に対する火花点火の回数を含む）、点火コイル１４への印加電圧、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

図３に示すように、本実施形態の制御部は、各気筒１における混合気への火花点火に際して点火プラグ１２の電極を流れる二次電流の推移を参照して、点火プラグ１２の電極間で惹起された放電が不当に吹き消えたか否かを判定する（ステップＳ１）。

そして、放電が不当に吹き消えたと判定した場合には、同じ気筒１の次回以降の火花点火機会において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から点火コイル１４の一次側コイル１４１に印加する一次電圧を、これまでよりも増圧する（ステップＳ２）。さすれば、同じ気筒１の次回以降の火花点火機会において、より一層確実に混合気を着火燃焼させることが可能となる。

翻って、放電が不当に吹き消えなかったと判定した場合には、同じ気筒１の次回以降の火花点火機会において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から点火コイル１４の一次側コイル１４１に印加する一次電圧を、これまでよりも減圧する（ステップＳ３）。さすれば、筒内流動が強くないような状況下で、混合気の着火燃焼のために不必要に電気エネルギを浪費することを回避できる。

ステップＳ１に関して補足する。センサ１７が、非接触式の電流センサであるとすると、その出力信号（電圧）ｏは、図４に例示するような波形となる。図４中、実線は火花放電が不当に吹き消えなかった場合の出力信号ｏを表し、破線は火花放電が不当に吹き消えた場合を表している。本実施形態の制御部は、点火プラグ１２における火花放電開始後の所定の評価期間Ｔ中に、二次側コイル１４２から点火プラグ１２の電極に印加される二次電流（または、二次電圧）の大きさが閾値を下回ったことを条件として、放電が不当に吹き消えたと判定する。評価期間Ｔは、火花放電開始のタイミングから一定の時間区間、または一定のクランク角度の区間に設定する。なお、火花放電開始直後は、必ずしも評価期間Ｔに含めない。

センサ１７が、二次側コイル１４２と点火プラグ１２との間に挿入したシャント抵抗の両端間電圧を検出するものであるとすると、その出力信号（電圧）ｏは、図５に例示するような波形となる。図５中、実線は火花放電が不当に吹き消えなかった場合の出力信号ｏを表し、破線は火花放電が不当に吹き消えた場合を表している。なお、図４と異なり、下方ほど二次電流（及び、二次電圧）が大きい。火花放電開始後の所定の評価期間Ｔ中に、二次側コイル１４２から点火プラグ１２の電極に印加される二次電流（または、二次電圧）の大きさが閾値を下回ったことを条件として、放電が不当に吹き消えたと判定することは言うまでもない。

ステップＳ２またはＳ３にて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から一次側コイル１４１に印加する一次電圧の大きさは、ＤＳＰ００がＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御する。ＤＳＰ００からＤＣ／ＤＣコンバータに与える制御信号ｍのＤＵＴＹ比を大きくするほど、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８が出力する電圧が高くなり、一次側コイル１４１に印加される電圧が高くなる。ひいては、二次側コイル１４２に印加される電圧が高くなり、二次側コイル１４２から点火プラグ１２に与えられる電気エネルギが大きくなる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、ステップＳ２にて、ある気筒１での火花点火のための放電が不当に吹き消えたと判定した（評価期間Ｔ中に二次側コイル１４２から点火プラグ１２の電極に印加される二次電流（または、二次電圧）の大きさが閾値を下回った）累積の回数が多くなるほど、同じ気筒１の次回以降の火花点火機会において一次側コイル１４１に印加する一次電圧を大きくする（または、次回以降の火花点火機会において印加する一次電圧を増圧する幅を大きくとる）ことが考えられる。

その他、各部の具体的な構成や処理の手順等は、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。

０、００…制御部（ＥＣＵ、ＤＳＰ）
１…気筒
１２…点火プラグ
１３…イグナイタ
１４…点火コイル
１４１…一次側コイル
１４２…二次側コイル
１６…電源（蓄電装置）
１７…センサ
１８…電圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
ｂ…クランク角信号
ｉ…点火信号
ｍ…ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の制御信号
ｏ…電流センサの出力信号

Claims (2)

1. 点火コイルの一次側コイルに通電しその通電を遮断することで二次側コイルに誘起される高電圧を点火プラグの電極に印加して火花放電を惹起する火花点火式内燃機関であって、
   電源電圧を昇圧した上で前記一次側コイルに印加する電圧コンバータと、
   前記二次側コイルから前記点火プラグの電極に印加される電流または電圧の大きさを計測するセンサと、
   前記センサを介して計測した電流または電圧の推移に基づいて前記電圧コンバータから前記一次側コイルに印加する電圧の大きさを増減調整する制御部と
   を具備する火花点火式内燃機関。
2. 前記制御部は、火花放電開始後の所定の評価期間中に前記二次側コイルから前記点火プラグの電極に印加される電流または電圧の大きさが閾値を下回ったことを条件として、次回以降の点火機会に前記電圧コンバータから前記一次側コイルに印加する電圧をそれまでよりも増大させる請求項１記載の火花点火式内燃機関。

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