JP6080638B2 - 火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式内燃機関を制御する制御装置に関する。

火花点火式内燃機関に実装されている点火装置では、イグナイタが消弧した際に点火コイルに発生する高電圧を点火プラグの中心電極に印加することで、点火プラグの中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起、点火する。

近時では、気筒の燃焼室内にある混合気に確実に着火させ、安定した火炎を得ることができるようにするために、電界発生回路、換言すればマグネトロンが出力するマイクロ波若しくは高周波発振器が出力する高周波を燃焼室内に放射する着火法が試みられている（例えば、下記特許文献１または２を参照）。この着火法によれば、中心電極と接地電極との間の空隙にマイクロ波若しくは高周波電界が形成され、この電界中で発生したプラズマが成長して、火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きな火炎核を生成することができる。

だが、ノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼が惹起される可能性がある状況下（気筒の温度が顕著に高い等）で、火花点火に呼応して燃焼室内にマイクロ波または高周波を投入すると、筒内圧力の急激な増大を招いて内燃機関の破損につながるおそれがある。

また、一旦混合気に着火したものの、その火炎が膨張行程の中途で消えてしまった場合や、着火自体に失敗した場合には、未燃の燃料成分を含むガスが排気浄化用の触媒に流入する。すると、そのガスに含まれる燃料成分が触媒内で酸素と結合し、反応熱で触媒が過熱されて損傷を受けることがあり得る。そうでなくとも、未燃の燃料成分が触媒外に放出されて環境を汚染する懸念がある。

特開２０１１−１５９４７７号公報 特開２０１１−０６４１６２号公報

本発明は、火花放電とともに燃焼室内に電界を放射して着火を行う内燃機関における、異常燃焼または消炎の発生を知ることを所期の目的としている。

本発明では、気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、アンテナから燃焼室内に電界を放射したときに計測される反射波の大きさが異常燃焼判定値よりも小さかった場合、燃焼室内での混合気の燃焼においてノッキングまたはプレイグニッションが発生したと判定することを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置を構成した。

また、本発明では、気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、アンテナから燃焼室内に電界を放射したときに計測される反射波の大きさが燃焼不良判定値よりも大きかった場合、燃焼室内での混合気の燃焼において不安定燃焼ないし失火が発生したと判定することを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、火花放電とともに燃焼室内に電界を放射して着火を行う内燃機関において、異常燃焼または消炎の発生を知ることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関、電界発生装置及びその制御装置の構成を示す図。 同実施形態における内燃機関の気筒の燃焼室内に電磁波を放射するアンテナの例を示す図。 同実施形態の制御装置が実施する処理の手順例を示すフロー図。

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。この内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（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の吸気ポート近傍には、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。点火プラグ１２は、点火コイル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ものである。

本実施形態の内燃機関には、点火の際に気筒１の燃焼室内でプラズマを生成する目的で、燃焼室内に電界を発生させる電磁波放射部を付帯させている。本実施形態における電磁波放射部は、燃焼室内にマイクロ波電界を印可するものであり、車載バッテリを電源としてマイクロ波を発生させるマグネトロン１４及びこれを制御する制御回路１５と、マグネトロン１４が発生させたマイクロ波を伝送する伝送回路１６と、伝送回路１６に接続したアンテナ１７とを要素とする。

制御回路１５は、本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０から出力される制御信号ｌを受け、この制御信号ｌに基づいてマグネトロン１４が発振するマイクロ波の電力及びその発振時期を制御する。

伝送回路１６は、マイクロ波を伝搬させることのできる導波管や同軸ケーブル等を主体とする。この伝送回路１６には、アイソレータ１８及びパワーメータ１９が付随している。アイソレータ１８は、アンテナ１７からの反射波を吸収してマグネトロン１４を安定的に動作させるための保護機器であり、マグネトロン１４とアンテナ１７との間に介在している。

アイソレータ１８は、サーキュレータとダミーロードとからなる。サーキュレータは、マグネトロン１４から発振される入射電力と、アンテナ１７から返ってくる反射電力とを、導波管または同軸ケーブル等のＴ字部（または、分岐部）に設けたフェライト及び磁界の作用により分離する。そして、入射電量を殆ど損失なしにアンテナ１７へと伝送する一方、反射電力をダミーロード側へと導入する。ダミーロードは、例えば反射電力を水等により吸収し熱として排出する水冷式のものである。ダミーロードは、導波管または同軸ケーブル等の終端に接続しており、余剰のマイクロ波エネルギを効率よく吸収する。

パワーメータ１９は、マグネトロン１４からアンテナ１７に向けて伝搬する入射電力と、アンテナ１７から返ってくる反射電力とを分けて検出する。パワーメータ１９は、導波管または同軸ケーブル等の中途に挿入してある。このパワーメータ１９は、方向性結合器、同軸無反射終端器、マイクロ波用ダイオードであるクリスタルマウント、電流計、同軸ケーブル等を用いて構成される既知のものである。本実施形態では、双方向性結合器の進行波検出ポート及び反射波検出ポートの各々にクリスタルマウント、同軸無反射終端器及び電流計を接続することで入射電力及び反射電力の双方を同時に読み取り可能な態様のパワーメータ１９を採用している。

アンテナ１７は、その一部が気筒１の燃焼室内に露出し、マグネトロン１４から発振され伝送回路１６を伝搬するマイクロ波を気筒１の燃焼室内に放射する。アンテナ１７は、例えば図２に示すように、燃焼室の天井の点火プラグ１３付近に配設したモノポール型アンテナであり、先端部を燃焼室内に表出させ、その他の部分を絶縁体により被覆してある。アンテナ１７の先端面は、燃焼室の内面と略面一とする。尤も、アンテナ１７の形状及び配設位置は一意には限定されない。

電界発生装置であるマグネトロン１４が発振する高周波電圧は、通常、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前または火花放電開始直後に、アンテナ１７に印加する。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の周囲の空間に、マイクロ波電界が形成される。そして、マイクロ波電界と火花放電との相互作用を通じて、プラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きなラジカルプラズマ火炎核を生成する。

上記の自走、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ちプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎核も大きくなるのである。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。

内燃機関の気筒１に吸気を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置している。

気筒１から排気を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結果発生した排気を各気筒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を配置している。

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。

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エンジン回転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、要求負荷）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、吸気通路３（特に、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ｄ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、吸気カムシャフトまたは排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ｆ、マグネトロン１４から発される入射波の強度及びアンテナ１７から返ってくる反射波の強度を検出するパワーメータ１９から出力される入射波信号ｇ及び反射波信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２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、マグネトロン１４の制御回路１５に対してマイクロ波発生指令信号ｌ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、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、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、燃焼室内に電界を発生させるか否かやその電界の強度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を出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、各気筒１の点火タイミングにおいて、当該気筒１に充填された混合気に着火してこれを燃焼させるべく、点火プラグ１２による火花放電を惹起して火花点火を行うとともに、この火花点火の直前、火花点火と同時、または火花点火の直後にアンテナ１７からマイクロ波を放射して、プラズマ火炎核の生成及び成長を促進する。

さらに、そのマイクロ波の放射の際にパワーメータ１９を介して計測される反射波の大きさに基づき、当該気筒１の膨張行程における混合気の燃焼状態を検証し、次回以降の燃焼サイクルにおいて気筒１の燃焼室内に放射するマイクロ波の出力（電力）を調整する。

図３に、ＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示している。既に述べた通り、ＥＣＵ０は、所要の点火タイミングにて、火花点火（ステップＳ１）及び燃焼室内へのマイクロ波の放射（ステップＳ２）を実施し、その際に発生する反射波の強度（特に、マグネトロン１４からアンテナ１７に向けて伝搬する入射電力に対する、アンテナ１７から返ってくる反射電力の比。反射率）をパワーメータ１９を介して計測する（ステップ３）。ステップＳ３の反射波の計測は、気筒１の燃焼室内で混合気が燃焼し、イオン（ラジカル）またはプラズマが発生しているときに行われる。

しかして、ＥＣＵ０は、計測された反射波の強度を、異常燃焼判定値と比較する（ステップＳ４）。異常燃焼判定値は、燃焼室内における混合気の燃焼が、比較的強度のノッキングや、プレイグニッション（火花点火やマイクロ波の投入に起因しない、点火タイミング前の混合気の自着火）を伴うような激しい、燃焼速度の速い燃焼であるか否かを判定するための閾値である。

ステップＳ４にて用いる異常燃焼判定値は、そのときの内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に充填される吸気量、燃料噴射量）］等に応じて設定する。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及びアクセル開度等と、異常燃焼判定値との関係を規定したマップデータが格納されている。ステップＳ４にて、ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及びアクセル開度等をキーとして当該マップを検索することで、反射波の強度と比較するべき異常燃焼判定値を知得する。

燃焼室内で混合気が異常燃焼した場合、正常な燃焼の場合と比較してより多い量のイオンやプラズマが燃焼室内に発生する。結果、アンテナ１７から放射したマイクロ波の電力が燃焼室内でより多く消費（吸収）されることとなり、パワーメータ１９に返ってくる反射波が小さくなる。故に、ステップＳ３にて計測された反射波の強度が異常燃焼判定値を下回っているならば、当該気筒１の燃焼室内でノッキングまたはプレイグニッション等の異常燃焼が発生したと判定する（ステップＳ５）ことができる。

燃焼室内で異常燃焼が発生したと判定した暁には、次回以降の燃焼サイクル（の点火タイミング）において、アンテナ１７から放射するマイクロ波の出力を今回放射したマイクロ波の出力よりも小さくする（ステップＳ６）、及び／または、マイクロ波を放射する時間の長さを今回よりも短縮する（次回以降のサイクルにおいてマイクロ波を放射せず、火花点火のみにより混合気に着火することもあり得る）。これにより、次回以降の燃焼サイクルにおける異常燃焼の発生を抑止する。

また、今回の燃焼サイクルにおいて（ステップＳ５の時点で）未だマイクロ波を放射している状態にあるならば、今回のサイクルにおけるその放射を即時停止することが望ましい。

加えて、次回以降のサイクルにおける点火タイミングを遅角補正したり、スロットルバルブ３２の開度を縮小して気筒１に充填される吸気量（及び、燃料噴射量）を減量補正したりする等の、異常燃焼の抑制ないし回避に効果のある手立てをとるようにしてもよい。

ステップＳ３にて計測された反射波の強度が異常燃焼判定値以上であったなら、次に、ＥＣＵ０は、ステップＳ３にて計測された反射波の強度を、燃焼不良判定値と比較する（ステップＳ７）。燃焼不良判定値は、燃焼室内における混合気の燃焼が不安定であり膨張行程の中途で火炎が弱まった、火炎が消失した、あるいはそもそも混合気への着火に失敗したか否かを判定するための閾値である。この燃焼不良判定値は、上記の異常燃焼判定値よりも大きな（高い）値である。

ステップＳ７にて用いる燃焼不良判定値もまた、そのときの内燃機関の運転領域等に応じて設定する。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及びアクセル開度等と、燃焼不良判定値との関係を規定したマップデータが格納されている。ステップＳ７にて、ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及びアクセル開度等をキーとして当該マップを検索することで、反射波の強度と比較するべき燃焼不良判定値を知得する。

燃焼室内での混合気の燃焼が不安定であった場合には、正常な燃焼の場合と比較してより少ない量のイオンやプラズマが燃焼室内に発生する。混合気の着火に失敗した場合には、燃焼室内にイオンやプラズマが殆どまたは全く発生しない。結果、アンテナ１７から放射したマイクロ波の電力が燃焼室内であまり消費されないか、全く消費されないこととなり、パワーメータ１９に返ってくる反射波が大きくなる。故に、ステップＳ３にて計測された反射波の強度が燃焼不良判定値を上回っているならば、当該気筒１の燃焼室内で不安定燃焼ないし失火が発生したと判定する（ステップＳ８）ことができる。

燃焼室内で不安定燃焼ないし失火が発生したと判定した暁には、次回以降の燃焼サイクル（の点火タイミング）において、アンテナ１７から放射するマイクロ波の出力を今回放射したマイクロ波の出力よりも大きくする（ステップＳ９）、及び／または、マイクロ波を放射する時間の長さを今回よりも延長する。これにより、次回以降の燃焼サイクルにおける着火及び燃焼の安定化を図る。

さらに、ステップＳ３にて計測された反射波の強度が全反射に近く（全反射に近いことを示唆する所定の判定値よりも大きく）、今回の燃焼サイクルにおいて消炎したか着火自体に失敗したと考えられる場合には、今回の膨張行程が終了する前に、ステップＳ２にて放射したものよりも高出力のマイクロ波を再度燃焼室内に放射して、未燃燃料成分を含む混合気の再着火を試みてもよい。

加えて、次回以降のサイクルにおける点火タイミングを進角補正したり、スロットルバルブ３２の開度を拡大して気筒１に充填される吸気量（及び、燃料噴射量）を増量補正したりする等の、燃焼の安定化に効果のある手立てをとるようにしてもよい。

本実施形態では、気筒１の燃焼室内に臨むアンテナ１７を介して燃焼室内に放射される電界と、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、アンテナ１７から燃焼室内に電界を放射したときに計測される反射波の大きさが異常燃焼判定値よりも小さかった場合、以後の混合気の着火燃焼に際して燃焼室内に放射する電界の強さをより小さくし、または電界の放射時間をより短くすることを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置０を構成した。

並びに、本実施形態では、気筒１の燃焼室内に臨むアンテナ１７を介して燃焼室内に放射される電界と、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、アンテナ１７から燃焼室内に電界を放射したときに計測される反射波の大きさが燃焼不良判定値よりも大きかった場合、以後の混合気の着火燃焼に際して燃焼室内に放射する電界をより大きくし、または電界の放射時間をより長くすることを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、火花放電とともに燃焼室内に電界を放射して着火を行う内燃機関において、燃焼室内に投入する電界の出力を適正な大きさに調整し、異常燃焼または消炎の発生を防止することができる。

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、内燃機関の気筒１の燃焼室内でプラズマを生成する目的で電界を発生させる電界発生装置は、マグネトロン１４には限定されない。電界発生装置として、高周波の交流電圧を出力してアンテナに印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を出力してアンテナに印加する脈流電圧発生回路等を採用してもよい。

電界発生装置として脈流電圧発生回路を採用する場合、当該脈流電圧発生回路は周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その波形も任意であってよい。脈流電圧は、基準電圧（０Ｖであることがある）から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧、交流電圧を半波整流した電圧、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等をおしなべて含む。電界発生装置が発振する高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚないし３０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐないし１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。

上記実施形態における内燃機関は、点火プラグ１２とは別に電解放射用のアンテナ１７を実装しているものであったが、電界発生装置が出力するマイクロ波若しくは高周波を点火プラグ１２の中心電極に印加し、その中心電極から気筒１の燃焼室内に電界を放射する、即ち点火プラグ１２の中心電極をアンテナとして利用するものであってもよい。

その他各部の具体的構成は、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。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１４…マグネトロン
１７…アンテナ
１９…パワーメータ

Claims (2)

1. 気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、
   アンテナから燃焼室内に電界を放射したときに計測される反射波の大きさが異常燃焼判定値よりも小さかった場合、燃焼室内での混合気の燃焼においてノッキングまたはプレイグニッションが発生したと判定することを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置。
2. 気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に放射される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、
   アンテナから燃焼室内に電界を放射したときに計測される反射波の大きさが燃焼不良判定値よりも大きかった場合、燃焼室内での混合気の燃焼において不安定燃焼ないし失火が発生したと判定することを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置。

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