JP6395905B1 - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】容易な方法で放電プラズマ長及び筒内流動速度を精度よく推定することができる内燃機関の制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】2次コイルにより生じた電圧である2次電圧V2を検出する2次電圧検出部52と、放電期間中の2次電圧の最小値V2minを算出する2次電圧最小値算出部53と、2次電圧V2、及び2次電圧の最小値V2minに基づいて、放電プラズマの長さLを算出する放電プラズマ長算出部54と、放電プラズマの長さLの時間変化とクーロン力に基づいて筒内流動速度vaを算出する筒内流動算出58と、を備えた内燃機関の制御装置50。【選択図】図3
Description
本発明は、点火コイルを備えた内燃機関の制御装置及び制御方法に関する。
従来から内燃機関の点火装置として、点火コイルにより昇圧した電圧を点火プラグに供給し、内燃機関の燃焼室内に配置された点火プラグのギャップ間で火花放電(ここでは絶縁破壊及びその後の放電プラズマの形成をいう)を発生させ、この火花放電が与えるエネルギーにより燃焼室内の混合気に火花点火させる点火システムが知られている。
近年では、内燃機関の燃費向上を目指したトレンドである過給ダウンサイジング化や高圧縮比化、更には高希釈燃焼のために点火システムに求められる要求が高機能化している。つまり、過給ダウンサイジング内燃機関や高圧縮比内燃機関においては、火花点火時の筒内圧が従来の内燃機関に比べると大幅に高くなる傾向があり、その結果、絶縁破壊電圧も高くなるため、点火コイルの出力エネルギーの増大が求められると共に、点火コイルや点火プラグの耐電圧の要求も高くなっている。また、高希釈燃焼とは、高EGR燃焼や高リーンバーン燃焼のことであり、このような混合気は一般的に安定燃焼領域が狭く、これを安定して燃焼させるためには、点火コイルの出力エネルギーを増大することや放電期間を長くすること、更に筒内流動を強くすること等が有効であると知られている。
ところで、前述のように出力エネルギーを増大させた点火コイルを用い、強い筒内流動を生じさせることができる内燃機関において火花点火を行う際に、点火プラグのギャップ間に生じる放電プラズマが筒内流動により流されて長く伸ばされるという現象が起こることが知られている。更に、このように放電プラズマが流されて伸長した方が、放電プラズマ周辺の混合気が活性化され、また放電プラズマが点火プラグから離れることで電極による冷却の影響も少なくなることから、高希釈燃焼においても燃焼の安定化に有効であることが知られている。このような現象については、例えば、特許文献1から3に記載されている。
特許文献1では、点火電流値に基づいて放電火花の流れが観測されたときには放電を中断し、放電が流された場合と流されなかった場合の差を抑制することで、サイクル間の出力変動を抑制する技術が開示されている。特許文献2では、放電電圧に基づいて放電経路長を算出し、点火プラグに備えられた電磁石により、放電の長さを制御する技術が開示されている。特許文献3では、2次電圧の変化に伴う2次電流の傾きの変化に基づいて燃焼室における気流の速度である気流速を推定する方法が開示されている。
本発明の出願人においても、独自に流動有無の環境において火花点火の可視化試験を行い、この時の点火コイルの2次電流や2次電圧を計測した。その結果、流動無し時、つまり、放電が流されない場合は、2次電圧がほぼ一定の状態で放電が行われ、2次電流は徐々に減少していくことがわかった。また、流動有り時、つまり放電が流された場合は、放電プラズマの伸長に伴って2次電圧が増大し、流動無し時に比べて2次電流の減少も早くなることがわかった。
本発明の出願人は更に検討を進め、2次電流や2次電圧と放電プラズマ長と筒内流動と燃焼安定性の関係について検討し、より正確に放電プラズマ長や筒内流動速度を算出することができれば、これに基づいて筒内流動や点火エネルギーを操作して燃焼安定性を高めることができると考えた。これは、筒内流動が強すぎると放電プラズマが吹き飛んでしまい、弱すぎると放電プラズマが伸長しないことから、放電プラズマが吹き飛ばない程度の筒内流動が最適であり、更に点火エネルギーを増大することで放電プラズマが吹き飛びにくくなると考えられるからである。
しかしながら、特許文献1から3に開示された方法は、単に2次電流や2次電圧と放電プラズマ長や筒内流動速度には何らかの相関関係がある程度のことしか言及されておらず、仮に、2次電圧と放電プラズマ長の関係を制御マップとして記憶するとしても、どの程度詳細なマップが必要かも不明であり、また、近似式のようなものも示されていないので、具体的にどのようにして放電プラズマ長を求めるのかが不明である。2次電流や2次電圧と筒内流動速度の関係についても同様である。更に、放電プラズマ長や筒内流動速度の代わりに2次電圧を直接使うことも考えられるが、2次電圧は筒内の環境(圧力・温度・空燃比等)に応じて大きく変わるため、2次電圧で制御するには定数設定や適合が複雑になると考えられる。
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、容易な方法で放電プラズマ長及び筒内流動速度を精度よく推定することができる内燃機関の制御装置及び制御方法を提供することにある。
この発明の内燃機関の制御装置は、燃焼室内に配置されたプラグギャップを有する点火プラグと、直流電源からの電力が供給される1次コイル及び前記1次コイルよりも巻き数が多く、前記点火プラグに供給する高圧電圧を発生する2次コイルを有する点火コイルと、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記2次コイルに高圧電圧を発生させ、前記プラグギャップに火花放電を発生させるために、前記1次コイルと前記直流電源とを通電後遮断する点火コイル制御部と、
前記2次コイルにより生じた電圧である2次電圧を検出する2次電圧検出部と、
検出した前記2次電圧に基づいて、放電期間中の前記2次電圧の最小値を算出する2次電圧最小値算出部と、
前記2次電圧、及び前記2次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを算出する放電プラズマ長算出部と、
前記放電プラズマの長さの時間変化と前記放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力とに基づいて、前記燃焼室内の気体の流動速度である筒内流動速度を算出する筒内流動算出部と、を備えたものである。
前記2次コイルに高圧電圧を発生させ、前記プラグギャップに火花放電を発生させるために、前記1次コイルと前記直流電源とを通電後遮断する点火コイル制御部と、
前記2次コイルにより生じた電圧である2次電圧を検出する2次電圧検出部と、
検出した前記2次電圧に基づいて、放電期間中の前記2次電圧の最小値を算出する2次電圧最小値算出部と、
前記2次電圧、及び前記2次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを算出する放電プラズマ長算出部と、
前記放電プラズマの長さの時間変化と前記放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力とに基づいて、前記燃焼室内の気体の流動速度である筒内流動速度を算出する筒内流動算出部と、を備えたものである。
また、この発明の内燃機関の制御方法は、燃焼室内に配置されたプラグギャップを有する点火プラグと、直流電源からの電力が供給される1次コイル及び前記1次コイルよりも巻き数が多く、前記点火プラグに供給する高圧電圧を発生する2次コイルを有する点火コイルと、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記2次コイルに高圧電圧を発生させ、前記プラグギャップに火花放電を発生させるために、前記1次コイルと前記直流電源とを通電後遮断する点火コイル制御ステップと、
検出した前記2次電圧に基づいて、前記2次コイルにより生じた電圧である2次電圧を検出する2次電圧検出ステップと、
放電期間中の前記2次電圧の最小値を算出する2次電圧最小値算出ステップと、
前記2次電圧、及び前記2次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを算出する放電プラズマ長算出ステップと、
前記放電プラズマの長さの時間変化と前記放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力に基づいて前記燃焼室内の気体の速度である筒内流動速度を算出する筒内流動算出ステップと、を実行するものである。
前記2次コイルに高圧電圧を発生させ、前記プラグギャップに火花放電を発生させるために、前記1次コイルと前記直流電源とを通電後遮断する点火コイル制御ステップと、
検出した前記2次電圧に基づいて、前記2次コイルにより生じた電圧である2次電圧を検出する2次電圧検出ステップと、
放電期間中の前記2次電圧の最小値を算出する2次電圧最小値算出ステップと、
前記2次電圧、及び前記2次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを算出する放電プラズマ長算出ステップと、
前記放電プラズマの長さの時間変化と前記放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力に基づいて前記燃焼室内の気体の速度である筒内流動速度を算出する筒内流動算出ステップと、を実行するものである。
本発明に係る内燃機関の制御装置及び制御方法によれば、放電期間中の2次電圧の最小値を算出することにより、放電時期の筒内圧等に応じて点火毎に変動する放電開始直後の2次電圧を検出することができる。そして、2次電圧に加えて、放電期間中の2次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを、容易な方法で精度よく推定できる。放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力により、放電プラズマは周囲の筒内流動とは異なる挙動を示し、単純に「放電プラズマ長の変化速度=筒内流動速度」とはならない。放電プラズマの長さの時間変化に加えて、クーロン力に基づいて筒内流動速度を算出するため、放電プラズマの長さを用いた容易な方法で筒内流動速度を精度よく推定できる。
実施の形態1.
実施の形態1に係る内燃機関1の制御装置50(以下、単に制御装置50と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る内燃機関1及び制御装置50の概略構成図であり、図2は、点火プラグ12、点火コイル13、及び制御装置50の概略的な回路構成図であり、図3は、本実施の形態に係る制御装置50のブロック図である。内燃機関1及び制御装置50は、車両に搭載され、内燃機関1は、車両(車輪)の駆動力源となる。
実施の形態1に係る内燃機関1の制御装置50(以下、単に制御装置50と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る内燃機関1及び制御装置50の概略構成図であり、図2は、点火プラグ12、点火コイル13、及び制御装置50の概略的な回路構成図であり、図3は、本実施の形態に係る制御装置50のブロック図である。内燃機関1及び制御装置50は、車両に搭載され、内燃機関1は、車両(車輪)の駆動力源となる。
1.内燃機関1の構成
まず、内燃機関1の構成について説明する。内燃機関1は、空気と燃料の混合気を燃焼する燃焼室25を有している。燃焼室25は、シリンダ(気筒)とピストンにより構成されている。以下では、燃焼室内を筒内とも称す。内燃機関1は、燃焼室25に空気を供給する吸気路23と、燃焼室25で燃焼した排気ガスを排出する排気路14とを備えている。
まず、内燃機関1の構成について説明する。内燃機関1は、空気と燃料の混合気を燃焼する燃焼室25を有している。燃焼室25は、シリンダ(気筒)とピストンにより構成されている。以下では、燃焼室内を筒内とも称す。内燃機関1は、燃焼室25に空気を供給する吸気路23と、燃焼室25で燃焼した排気ガスを排出する排気路14とを備えている。
吸気路23の上流側には、大気から吸気路23に吸入される吸入空気の流量に応じた電気信号を出力するエアフローセンサ2が設けられている。エアフローセンサ2の下流側の吸気路23には、吸気路23を開閉する電子制御式のスロットルバルブ4が設けられている。スロットルバルブ4には、スロットルバルブ4の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ3が設けられている。スロットルバルブ4の下流側の吸気路23の部分は、吸気マニホールド19とされている。吸気マニホールド19の上流側の部分は、吸気脈動を抑制するサージタンク5とされ、吸気マニホールド19の下流側の部分は吸気ポート6とされている。
内燃機関1は、排気路14から吸気マニホールド19に排気ガスを還流するEGR流路21と、EGR流路21を開閉する電子制御式のEGRバルブ15と、を備えている。吸気マニホールド19には、吸気マニホールド19内の気体の圧力であるマニホールド圧に応じた電気信号を出力するマニホールド圧センサ7と、吸気マニホールド19内の気体の温度であるマニホールド温度に応じた電気信号を出力するマニホールド温度センサ8と、が設けられている。
燃焼室25には、燃焼室25内に燃料を噴射するインジェクタ9が設けられている。なお、インジェクタ9は、吸気ポート6内に燃料を噴射するように、吸気ポート6に設けられてもよい。
燃焼室25の頂部には、空気と燃料の混合気に点火する点火プラグ12が設けられている。点火プラグ12に点火エネルギーを供給する点火コイル13が設けられている。また、燃焼室25の頂部には、吸気路23から燃焼室25内に吸入される吸入空気量を調節する吸気バルブ10と、燃焼室25内から排気路14に排出される排気ガス量を調節する排気バルブ11と、が設けられている。吸気バルブ10には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする吸気可変バルブタイミング機構が設けられている。排気バルブ11には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする排気可変バルブタイミング機構が設けられている。吸気及び排気可変バルブタイミング機構10、11は、それぞれ、バルブの開閉タイミングの位相角を変更する電動アクチュエータを有している。内燃機関1のクランク軸には複数の歯を有する回転プレート16が設けられており、回転プレート16の回転に応じた電気信号を出力するクランク角センサ17が設けられている。
<点火プラグ12及び点火コイル13>
図2に、点火プラグ12及び点火コイル13の回路構成図を示す。点火プラグ12は、燃焼室25内に配置され、放電プラズマを発生させるプラグギャップ122を備えている。点火プラグ12は、ラジオノイズを抑制するために、プラグギャップ122に直列接続された抵抗121を備えている。
図2に、点火プラグ12及び点火コイル13の回路構成図を示す。点火プラグ12は、燃焼室25内に配置され、放電プラズマを発生させるプラグギャップ122を備えている。点火プラグ12は、ラジオノイズを抑制するために、プラグギャップ122に直列接続された抵抗121を備えている。
点火コイル13は、直流電源20からの電力が供給される1次コイル131と、1次コイル131よりも巻き数が多く、点火プラグ12に供給する高圧電圧を発生させる2次コイル132とを備えている。1次コイル131と2次コイル132とは、共通の鉄心(コア)136に巻装されている。1次コイル131、2次コイル132、及びコア136は、昇圧トランスを構成している。点火コイル13は、直流電源20から1次コイル131への通電をオン又はオフするイグナイタ133としてのスイッチング素子を備えている。点火コイル13は、2次コイル132により生じる電圧である2次電圧V2に応じた電気信号を出力する点火コイル電圧センサ134を備えている。点火コイル電圧センサ134は、2次電圧V2を、直列接続された2つの抵抗で分圧する分圧回路とされており、点火プラグ12に並列接続されている。2つの抵抗の接続点の分圧電圧が、制御装置50に入力される。
本実施の形態では、1次コイル131の一端は、直流電源20の正極に接続され、1次コイル131の他端は、イグナイタ133を介して、グランド(直流電源20の負極)に接続されている。イグナイタ133が制御装置50によりオンオフ制御されることにより、直流電源20から1次コイル131への通電がオン又はオフされる。2次コイル132の一端は、直流電源20の正極に接続され、2次コイル132の他端は、点火プラグ12を介してグランドに接続されている。また、2次コイル132の他端は、分圧回路とされた点火コイル電圧センサ134を介してグランドに接続されている。制御装置50は、イグナイタ133をオン又はオフするイグナイタ駆動回路501としてのスイッチング素子を備えており、イグナイタ駆動回路501は演算処理装置90からの指令信号により動作する。
2.制御装置50の構成
次に、制御装置50について説明する。
制御装置50は、内燃機関1を制御対象とする制御装置である。図3に示すように、制御装置50は、点火コイル制御部51、2次電圧検出部52、2次電圧最小値算出部53、放電プラズマ長算出部54、流動相関値算出部55、流動制御部56、及び点火エネルギー増大部57、筒内流動算出部58等の制御部を備えている。制御装置50の各制御部51〜58等は、制御装置50が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置50は、図4に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りをする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、及び演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
次に、制御装置50について説明する。
制御装置50は、内燃機関1を制御対象とする制御装置である。図3に示すように、制御装置50は、点火コイル制御部51、2次電圧検出部52、2次電圧最小値算出部53、放電プラズマ長算出部54、流動相関値算出部55、流動制御部56、及び点火エネルギー増大部57、筒内流動算出部58等の制御部を備えている。制御装置50の各制御部51〜58等は、制御装置50が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置50は、図4に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りをする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、及び演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
演算処理装置90として、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、IC(Integrated Circuit)、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置90として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置91として、演算処理装置90からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたRAM(Random Access Memory)や、演算処理装置90からデータを読み出し可能に構成されたROM(Read Only Memory)等が備えられている。入力回路92は、各種のセンサやスイッチが接続され、これらセンサやスイッチの出力信号を演算処理装置90に入力するA/D変換器等を備えている。出力回路93は、電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置90からの制御信号を出力する駆動回路等を備えている。
そして、制御装置50が備える各制御部51〜58等の各機能は、演算処理装置90が、ROM等の記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行し、記憶装置91、入力回路92、及び出力回路93等の制御装置50の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部51〜58等が用いるマップデータ、判定値等の設定データは、ソフトウェア(プログラム)の一部として、ROM等の記憶装置91に記憶されている。
本実施の形態では、入力回路92には、エアフローセンサ2、スロットル開度センサ3、マニホールド圧センサ7、マニホールド温度センサ8、クランク角センサ17、大気圧センサ18、点火コイル電圧センサ134、アクセルポジションセンサ26等が接続されている。出力回路93には、スロットルバルブ4、インジェクタ9、吸気可変バルブタイミング機構10、排気可変バルブタイミング機構11、点火コイル13、及びEGRバルブ15等が接続されている。なお、制御装置50には、図示していない各種のセンサ、スイッチ、及びアクチュエータ等が接続されている。
制御装置50は、各種のセンサの出力信号等に基づいて内燃機関1及び車両の各種の運転状態を検出する。例えば、制御装置50は、クランク角センサ17等の出力信号に基づいて内燃機関の回転速度及びクランク角度を検出する。制御装置50は、エアフローセンサ2、マニホールド圧センサ7等の出力信号に基づいて内燃機関の吸入空気量、充填効率、EGR率等を算出する。
制御装置50は、基本的な制御として、検出した運転状態に基づいて、燃料噴射量、点火時期等を算出し、インジェクタ9及び点火コイル13等を駆動制御する。制御装置50は、アクセルポジションセンサ26の出力信号等に基づいて、運転者が要求している内燃機関1の出力トルクを算出し、当該要求出力トルクを実現する目標充填効率、目標EGR率等を算出し、目標充填効率及び目標EGR率等を達成するように、スロットルバルブ4の開度、EGRバルブ15の開度、吸気及び排気可変バルブタイミング機構10、11の位相角を制御する。
2−1.点火コイル制御部51
点火コイル制御部51は、2次コイル132に高圧電圧を発生させ、プラグギャップ122に火花放電を発生させるために、1次コイル131と直流電源20とを通電後遮断する点火コイル制御処理(点火コイル制御ステップ)を実行する。点火コイル制御部51は、1次コイル131への通電時間と点火時期(点火クランク角度)を算出する。点火コイル制御部51は、点火時期よりも通電時間前の時点を通電開始時期として算出する。そして、点火コイル制御部51は、通電開始時期で、イグナイタ駆動回路501を介してイグナイタ133をオンし、1次コイル131を通電させる。点火コイル制御部51は、点火時期で、イグナイタ駆動回路501を介してイグナイタ133をオフし、1次コイル131への通電を遮断する。
点火コイル制御部51は、2次コイル132に高圧電圧を発生させ、プラグギャップ122に火花放電を発生させるために、1次コイル131と直流電源20とを通電後遮断する点火コイル制御処理(点火コイル制御ステップ)を実行する。点火コイル制御部51は、1次コイル131への通電時間と点火時期(点火クランク角度)を算出する。点火コイル制御部51は、点火時期よりも通電時間前の時点を通電開始時期として算出する。そして、点火コイル制御部51は、通電開始時期で、イグナイタ駆動回路501を介してイグナイタ133をオンし、1次コイル131を通電させる。点火コイル制御部51は、点火時期で、イグナイタ駆動回路501を介してイグナイタ133をオフし、1次コイル131への通電を遮断する。
点火コイル制御部51は、回転速度及び充填効率等の運転状態と、通電時間との関係が予め設定された通電時間マップを参照し、現在の回転速度及び充填効率等の運転状態に対応する通電時間を算出するように構成されてもよい。或いは、点火コイル制御部51は、回転速度及び充填効率等の運転状態と、点火エネルギーとの関係が予め設定された点火エネルギーマップを参照し、現在の回転速度及び充填効率等の運転状態に対応する点火エネルギーを算出し、点火エネルギーと通電時間の関係式を用いて、通電時間を算出するように構成されてもよい。
また、点火コイル制御部51は、回転速度及び充填効率等の運転状態と、点火時期との関係が予め設定された点火時期マップを参照し、現在の回転速度及び充填効率等の運転状態に対応する点火時期を算出するように構成されてもよい。或いは、点火コイル制御部51は、圧力センサにより検出した、又はクランク角度検出情報により推定した筒内圧に基づいて算出した燃焼重心位置が目標クランク角度に近づくように点火時期を変更するフィードバック制御により点火時期を算出するように構成されてもよい。
<点火時の挙動>
点火時の挙動について説明する。1次コイル131への通電開始後、1次コイル131に流れる1次電流I1が次第に増加していく。1次電流I1の大きさに応じた磁気エネルギーが、コア136に蓄えられる。その後、1次コイル131への通電が遮断されると、1次電流I1はゼロになり、コア136に蓄えられていた磁気エネルギーにより、2次コイル132の電圧が上昇し、プラグギャップ122間の電圧を上昇させる。プラグギャップ122間の電圧が、プラグギャップ122間の絶縁破壊電圧を上回るとプラグギャップ122間において火花放電が起こる。ここで、火花放電とは、絶縁破壊及びその後にプラグギャップ122間に生じるグロー放電又はアーク放電による放電現象全般を意味するものとする。グロー放電又はアーク放電における放電経路として生じるプラズマを放電プラズマと呼ぶこととする。火花放電により生じた放電プラズマを介してプラグギャップ122は導通し、2次コイル132から2次電流I2が流れ、プラグギャップ122において放出されるエネルギーにより、燃焼室25内の混合気が点火される。
点火時の挙動について説明する。1次コイル131への通電開始後、1次コイル131に流れる1次電流I1が次第に増加していく。1次電流I1の大きさに応じた磁気エネルギーが、コア136に蓄えられる。その後、1次コイル131への通電が遮断されると、1次電流I1はゼロになり、コア136に蓄えられていた磁気エネルギーにより、2次コイル132の電圧が上昇し、プラグギャップ122間の電圧を上昇させる。プラグギャップ122間の電圧が、プラグギャップ122間の絶縁破壊電圧を上回るとプラグギャップ122間において火花放電が起こる。ここで、火花放電とは、絶縁破壊及びその後にプラグギャップ122間に生じるグロー放電又はアーク放電による放電現象全般を意味するものとする。グロー放電又はアーク放電における放電経路として生じるプラズマを放電プラズマと呼ぶこととする。火花放電により生じた放電プラズマを介してプラグギャップ122は導通し、2次コイル132から2次電流I2が流れ、プラグギャップ122において放出されるエネルギーにより、燃焼室25内の混合気が点火される。
2−2.放電プラズマ長Lの算出原理
<筒内流動と放電プラズマの挙動>
このように動作する2次コイル132側の挙動と、プラグギャップ122に生じる放電プラズマの挙動について、図5から図8を用いて説明する。図5及び図6は、2次コイル132側の挙動を示すタイミングチャート図であり、図7及び図8は、プラグギャップ122に生じる放電プラズマを示すイメージ図である。なお、各図において、2次電圧V2及び2次電流I2は、負側に発生しているが、絶対値が大きくなる方向を増加又は上昇、絶対値が小さくなる方向を減少又は低下として説明している。
<筒内流動と放電プラズマの挙動>
このように動作する2次コイル132側の挙動と、プラグギャップ122に生じる放電プラズマの挙動について、図5から図8を用いて説明する。図5及び図6は、2次コイル132側の挙動を示すタイミングチャート図であり、図7及び図8は、プラグギャップ122に生じる放電プラズマを示すイメージ図である。なお、各図において、2次電圧V2及び2次電流I2は、負側に発生しているが、絶対値が大きくなる方向を増加又は上昇、絶対値が小さくなる方向を減少又は低下として説明している。
図5は筒内流動がなく、放電プラズマの伸長がない場合の2次コイル132側の挙動であり、図7に示すように、放電プラズマはプラグギャップ122で生じたまま僅かに揺れ動くだけで、基本的な放電プラズマの長さはプラグギャップ122間の距離とほぼ同じである。図5の時刻t0において、1次コイル131への通電が遮断されている。通電遮断により、2次電圧V2は、絶縁破壊電圧Vbkまで上昇し、絶縁破壊が生じている。2次電圧V2は、絶縁破壊後に降下し、時刻t0以降は、ほぼ一定の放電維持電圧になっている。2次電流I2は、時刻t0において、絶縁破壊後、0からステップ的に増加し、その後、ほぼ一定の傾きで減少していき、時刻t2でゼロになっている。これは、コア136に蓄えられた磁気エネルギーが2次電流I2の放出により徐々に低下することにより、2次電流I2も徐々に低下するためである。
次に、図6は筒内流動があり、放電プラズマが伸長する場合の2次コイル132側の挙動であり、図8に示すように、放電プラズマはプラグギャップ122で生じた後、筒内流動により徐々に伸長していく。図6の時刻t0において、1次コイル131への通電が遮断され、この通電遮断により、2次電圧V2は、絶縁破壊電圧Vbkまで上昇し、絶縁破壊が生じている。2次電圧V2は、絶縁破壊後に一旦流動なし時と同程度の電圧まで低下しているが、その後、放電プラズマの伸長に伴って増加する。2次電流I2は、流動なし時よりも早く減少し、流動なし時の時刻t2より早い時刻t2*で0になっている。これは、2次電圧V2の上昇により、コア136に蓄えられた磁気エネルギーの単位時間当たりの放出量が増加し、磁気エネルギーの減少が早くなるためである。エネルギーの放出速度[J/s]は、消費電力W=V2×I2であるので、2次電流I2が同じでも2次電圧V2が大きいと、磁気エネルギーの放出が速くなる。
<放電プラズマ長の算出原理>
以上で説明した点火コイル13の動作及びプラグギャップ122で生じる放電現象に基づいて、放電プラズマ長を算出する方法の考え方について説明する。放電中のプラグギャップ122間の抵抗(ギャップ抵抗と称す)をRgとすると、2次電圧V2、2次電流I2、及びギャップ抵抗Rgの間には、次式の関係が成立する。
以上で説明した点火コイル13の動作及びプラグギャップ122で生じる放電現象に基づいて、放電プラズマ長を算出する方法の考え方について説明する。放電中のプラグギャップ122間の抵抗(ギャップ抵抗と称す)をRgとすると、2次電圧V2、2次電流I2、及びギャップ抵抗Rgの間には、次式の関係が成立する。
放電電流の流れに沿った放電プラズマの長さ(放電プラズマ長と称す)をLとし、放電電流の流れに直交する平面で切断した放電プラズマの断面積をSとし、放電プラズマを電気伝導率σの導体と考えると、ギャップ抵抗Rgは、次式で表せる。
<流動なし時>
ここで、流動なし(放電プラズマの伸長なし)の時について考える。図5及び図7を用いて説明したように、流動がない状態であれば、放電プラズマ長Lはほぼ一定であり、この場合には、2次電圧V2もほぼ一定になる。よって、(3)式から、次式の関係が成り立つ。
ここで、流動なし(放電プラズマの伸長なし)の時について考える。図5及び図7を用いて説明したように、流動がない状態であれば、放電プラズマ長Lはほぼ一定であり、この場合には、2次電圧V2もほぼ一定になる。よって、(3)式から、次式の関係が成り立つ。
ここで、「Const.」は、一定値であることを表す。「σ・S」は、放電プラズマの単位長さあたりコンダクタンス、つまり、単位長さあたりの電流の流れやすさであり、(4)式は、2次電流I2が小さくなれば、電流が流れにくくなることを示している。なお、その逆数1/(σ・S)は、単位長さたりの抵抗を意味する。
ところで、プラズマとは気体を構成する分子が電離し陽イオンと電子に別れて運動している状態であり、この電離した気体は荷電粒子を含むため導電性を示す。また、気体が電離している割合を電離度ηといい、電離度ηに応じて導電性は変化すると考えられるので、電離度ηと電気伝導率σは相関すると考えられる。更に、プラズマの電離度ηと発光強度は相関すると考えられているので、放電の明るさと電気伝導率σについても相関するものと考えられる。流動なし(放電の伸びなし)時の放電プラズマを観測すると、放電開始直後は明るく太かった放電プラズマが、2次電流I2が減少するにつれて徐々に暗く細くなり、放電終了とともに消滅することがわかった。このことから、前述のように、2次電流I2が小さくなると、電気伝導率σと断面積Sの積であるσ・Sも小さくなることが観測されているものと想定される。
<流動ありの場合(考え方(A))>
次に、流動ありの場合を考える。ここでは考え方(A)として、流動なし時に考えた(4)式を流動あり時にも適用して考える。図9に、放電開始直後の放電プラズマと放電プラズマ伸長中の放電プラズマのイメージを示す。ここで、放電開始直後のI2、σ、S、Lには、それぞれ、最後に0を付けてI20、σ0、S0、L0で表し、放電プラズマ伸長中(放電中)のI2、σ、S、Lには、それぞれ、最後に1を付けてI21、σ1、S1、L1で表す。(4)式から、放電プラズマ長Lに関わらず、I2/(σ・S)は一定であるので、次式に示すように、放電開始直後のI20/(σ0・S0)と、放電プラズマ伸長中のI21/(σ1・S1)とは等しくなる。
次に、流動ありの場合を考える。ここでは考え方(A)として、流動なし時に考えた(4)式を流動あり時にも適用して考える。図9に、放電開始直後の放電プラズマと放電プラズマ伸長中の放電プラズマのイメージを示す。ここで、放電開始直後のI2、σ、S、Lには、それぞれ、最後に0を付けてI20、σ0、S0、L0で表し、放電プラズマ伸長中(放電中)のI2、σ、S、Lには、それぞれ、最後に1を付けてI21、σ1、S1、L1で表す。(4)式から、放電プラズマ長Lに関わらず、I2/(σ・S)は一定であるので、次式に示すように、放電開始直後のI20/(σ0・S0)と、放電プラズマ伸長中のI21/(σ1・S1)とは等しくなる。
この考え方が正しければ、(8)式により放電プラズマ伸長中の放電プラズマ長L1を求めることができる。ここで、放電開始直後の放電プラズマ長L0は、プラグギャップ122間の長さLgに等しいと仮定することができる。放電開始直後の2次電圧V20は、図6を用いて説明した2次電圧V2の挙動から、放電開始直後の所定期間の2次電圧V2の最低値を用いることができる。ここで、2次電圧V2の最低値を計測するのは、2次電圧V2の変化に、多少の遅れがあるためである。
<流動ありの場合(考え方(B))>
考え方(A)では、放電プラズマ長Lの変化に関わらず、(5)式のようにI2/σ・Sは一定であると考えたが、放電プラズマ長Lが時々刻々と変化する場合には、I2/σ・Sが常に一定であるとは考えにくい。プラグギャップ122間の流動により放電プラズマが流されて伸長するのは短い時間に起こるため、電離した気体の量は同じで、それらの位置だけが変わることで放電プラズマが伸長すると考えることもできる。図10に、放電プラズマ伸長中の微小時間前後の放電プラズマのイメージを示す。ここで、放電プラズマ伸長中の時刻t1のI2、σ、S、Lは、それぞれ、I21、σ1、S1、L1で表し、放電プラズマ伸長中の時刻t1より微小時間前のI2、σ、S、Lは、それぞれ、I21*、σ1*、S1*、L1*で表す。
考え方(A)では、放電プラズマ長Lの変化に関わらず、(5)式のようにI2/σ・Sは一定であると考えたが、放電プラズマ長Lが時々刻々と変化する場合には、I2/σ・Sが常に一定であるとは考えにくい。プラグギャップ122間の流動により放電プラズマが流されて伸長するのは短い時間に起こるため、電離した気体の量は同じで、それらの位置だけが変わることで放電プラズマが伸長すると考えることもできる。図10に、放電プラズマ伸長中の微小時間前後の放電プラズマのイメージを示す。ここで、放電プラズマ伸長中の時刻t1のI2、σ、S、Lは、それぞれ、I21、σ1、S1、L1で表し、放電プラズマ伸長中の時刻t1より微小時間前のI2、σ、S、Lは、それぞれ、I21*、σ1*、S1*、L1*で表す。
更に、放電プラズマ伸長中に、σ1・S1が減少する変化と、2次電流I21が減少する変化とが一致しないため、(5)式のような関係は成立しないと考えられる。2次電流I21が減少する変化は、コア136の磁気エネルギーの減少によるものなので、断面積S1が減少する変化より遅いと考えられる。そのため、ここでは、2次電流I21を、微小時間前後の断面積S1*、S1で補正した次式が成立すると仮定する。
<流動ありの場合(考え方(C))>
流動あり(放電プラズマの伸長あり)時の放電プラズマを可視化観測すると、放電プラズマが伸びても考え方(B)のように伸びれば伸びるほど細くなることもなく、どちらかというと考え方(A)のように、放電プラズマの太さはあまり変わらずに伸びているようであった。しかしながら、電離した気体の量に変化がないと考えると考え方(B)の方が正しいとも思える。そこで、考え方(B)のように放電プラズマは伸長するが、新たに気体が電離することで2次電流I2に応じた放電プラズマの断面積に戻ろうとするため、考え方(A)のように太さは同じまま放電プラズマは伸長しているように見えると考えることもできる。こう考えた場合の放電プラズマ伸長中の微小時間前後のイメージを図11に示す。この場合、新たに電離する気体がある分、考え方(A)より電流は流れやすくなっていると考えられる。以上を考え方(C)とする。
流動あり(放電プラズマの伸長あり)時の放電プラズマを可視化観測すると、放電プラズマが伸びても考え方(B)のように伸びれば伸びるほど細くなることもなく、どちらかというと考え方(A)のように、放電プラズマの太さはあまり変わらずに伸びているようであった。しかしながら、電離した気体の量に変化がないと考えると考え方(B)の方が正しいとも思える。そこで、考え方(B)のように放電プラズマは伸長するが、新たに気体が電離することで2次電流I2に応じた放電プラズマの断面積に戻ろうとするため、考え方(A)のように太さは同じまま放電プラズマは伸長しているように見えると考えることもできる。こう考えた場合の放電プラズマ伸長中の微小時間前後のイメージを図11に示す。この場合、新たに電離する気体がある分、考え方(A)より電流は流れやすくなっていると考えられる。以上を考え方(C)とする。
n=1の時は考え方(A)の(8)式を表し、この場合は、放電プラズマが伸長しない場合と同じだけ電流が流れ、単位長さあたりの抵抗は変わらないという考え方である。n=1/2の時は考え方(B)の(12)式を表し、この場合は、放電プラズマが細くなるため抵抗が大きくなり、電流が流れにくくなるという考え方である。
考え方(C)は、放電プラズマが伸長した場合に新たに電離する気体があるために考え方(A)より更に電流が流れやすくなるという考え方であるので、考え方(A)より電流が流れるのであれば、n>1の関係になることが予想される。このように考えた場合のべき指数nが具体的にどれくらいの値になるかは観測データに基づいて算出する。べき指数nの算出は、放電開始直後の2次電圧V20として絶縁破壊直後所定時間内の2次電圧の最小値を用い、放電開始直後の放電プラズマ長L0としてプラグギャップ長Lgを用い、放電プラズマ伸長中の放電プラズマ長L1と2次電圧V21として、放電プラズマ伸長中のある時刻における放電プラズマ長Lと2次電圧V2を用い、次式により算出できる。
本発明の出願人が行った試験結果からべき指数nの値を算出すると、概ね1.0から3.0の範囲内の値となった。このべき指数nの値は、内燃機関1の運転状態、特に点火時点における筒内圧や筒内温度に依存するものと考えられるので、筒内圧に応じてべき指数nの値を変化させるようにしてもよいし、最も簡単な近似としては、制御装置50の演算負荷を考えて、n=2と単純化してもよい。
以上をまとめると、放電中のある時刻における放電プラズマ長L1は、その時刻における2次電圧をV21とし、放電開始直後の2次電圧V20として絶縁破壊直後所定時間内の2次電圧の最小値を用い、放電開始直後の放電プラズマ長L0としてプラグギャップ長Lgを用いて、(13)式により算出することができ、その際のべき指数nの値としては、1.0から3.0の範囲内の値を用いればよい。なお、流動がなく、放電プラズマが伸長しない場合においては、2次電圧V2は一定であり、放電プラズマ長Lも一定であるので、べき指数nの値に関わらず(13)式は成立する。
2−3.筒内流動速度vaの算出原理
<筒内流動と放電プラズマの挙動>
次に、筒内流動速度vaの算出原理について説明する。放電プラズマ長Lの時間変化を考えることで、点火プラグ近傍の気体の流動速度を算出できると考えられる。しかし、プラズマは、気体を構成する分子が電離し、陽イオンと電子に別れて運動している状態であるので、プラズマ中ではこの電荷の周りに逆符号の電荷を持つ荷電粒子がクーロン力を受けて集合する。そのため、流動場にあるプラズマは周囲の気体とは異なる挙動を示す。その結果、単純に「放電プラズマ長の変化速度=筒内流動速度」とはならないため、放電プラズマ長の変化速度と筒内流動速度の関係を導く必要がある。
<筒内流動と放電プラズマの挙動>
次に、筒内流動速度vaの算出原理について説明する。放電プラズマ長Lの時間変化を考えることで、点火プラグ近傍の気体の流動速度を算出できると考えられる。しかし、プラズマは、気体を構成する分子が電離し、陽イオンと電子に別れて運動している状態であるので、プラズマ中ではこの電荷の周りに逆符号の電荷を持つ荷電粒子がクーロン力を受けて集合する。そのため、流動場にあるプラズマは周囲の気体とは異なる挙動を示す。その結果、単純に「放電プラズマ長の変化速度=筒内流動速度」とはならないため、放電プラズマ長の変化速度と筒内流動速度の関係を導く必要がある。
そこで、放電プラズマ内に働くクーロン力の集合として、電力管に作用するマクスウェルの応力を当てはめ、筒内流動速度と放電プラズマの中間部の移動速度とマクスウェルの応力との関係をモデル化し、筒内流動速度vaを推定する関係式を導出する。以下で、詳細に説明する。
図12に、伸長した放電プラズマが、U字型になると簡略的にモデル化したイメージ図を示す。プラグギャップ122における筒内流動方向は、プラグギャップ122の長さ方向に垂直な方向であるものと仮定する。U字型の放電プラズマは、プラグギャップ122の中心電極122aから筒内流動方向に延びる第1側部30と、プラグギャップ122の接地電極122bから筒内流動方向に延びる第2側部31と、第1側部30の筒内流動方向の先端部と第2側部31の筒内流動方向の先端部とをつなぐ、底部32とから構成されていると仮定する。第1側部30及び第2側部31の長さは、筒内流動により0から伸長していくものと仮定する。底部32は、プラグギャップ長Lgの長さを有すると仮定し、放電プラズマの中間部32に相当する。
放電プラズマの中間部32が筒内流動方向に移動する移動速度をvpとし、放電開始後の経過時間をtとすると、放電プラズマ長Lは、次式で表せる。第1及び第2側部30、31の伸長速度は、放電プラズマの中間部32の移動速度vpに等しくなる。U字の第1側部30及び第2側部31の2個所が、移動速度vpで伸長するので、放電プラズマ長Lの伸長は、vp・tの2倍になる。
ところで、放電プラズマの中間部32の移動速度vpは、時間とともに変化すると考えられる。つまり、放電開始直後は、移動速度vp≒0であると考えられる。筒内流動により放電プラズマに作用する力が、放電プラズマ内に働くクーロン力よりも、十分大きい場合は、時間がたつと、移動速度vp≒筒内流動速度vaになると考えられる。そこで、放電プラズマの中間部32の移動速度vpが、各時点で変化するものとして、放電プラズマ長Lの算出式を、離間化した次式で表す。ここで、Δtは、離散化した時間間隔である。mは、離散化した時系列データの番号であり、放電開始直後の0から、時間間隔Δtが経過する毎に、1ずつ増加していく。(16)式でも、U字の第1側部30及び第2側部31の2個所が、移動速度vpで伸長するので、時間間隔Δtの間の、放電プラズマ長Lの伸長幅は、2・vp・Δtの2倍になる。
(16)式により、時々刻々と変化する放電プラズマの中間部32の移動速度vp(m)と、放電プラズマ長L(m)の関係を定式化できる。(16)式を、vp(m)について解くと、(17)式を得る。(17)式から、放電プラズマ長L(m)の時間変化によって、放電プラズマの中間部32の移動速度vp(m)を算出できる。
次に、放電プラズマ内に働くクーロン力について考える。放電プラズマでは、放電によるエネルギー供給によりプラズマ状態が維持されており、更に、放電のための電流が流れているので、外部から電場を与えられている状態でもある上に、電子が動くことにより内部でも電場が生じている状態であると考えられる。このように考えると、放電プラズマは、空間内に浮かぶ電場をかけられた電力管と考えることができ、この電力管にはクーロン力の集合としてマクスウェルの応力がかかることが知られている。マクスウェルの応力Fは、マクスウェルの応力テンソルTを用いて次式で表される。
ここで、ε0は真空の誘電率であり、Eは電場であり、nは微小面積dS上の単位法線ベクトルであり、添え字のx、y、zはデカルト座標系の各成分を意味する。なお、ここでは電場によるマクスウェルの応力のみを考えているが、磁場によるマクスウェルの応力についても考慮するようにしてもよい。
図13に示す電力管にかかるマクスウェルの応力を説明するイメージ図を参考に、電場の方向にかかる力F1と、電場に対して垂直方向にかかる力F2とを説明する。電場の方向にかかる力F1は、微小面積dS1の垂直方向を示すベクトルn1が電場と同じ向きを向いていると考えて、(18)式に基づいて次式で表されることが知られている。
このように、電場の方向には引き合う力が働いており、電場の垂直方向にはお互いに斥け合う方向の力が働いていることが分かる。つまり、電力管には、ゴムのような弾性体が存在しているような力がかかっていると言える。なお、(19)式、(20)式より、力の方向は異なるものの、単位面積当たりの力の大きさはF1、F2共に同じである。
以上を踏まえて放電プラズマにかかるマクスウェルの応力の大きさpmを算出する。ここでは簡単のため外部電場のみを考えるものとするが、内部電場を考慮して補正するようにしてもよい。電場の大きさE(m)は、次式に示すように、プラグギャップ122に印加される2次電圧V2を、放電プラズマ長Lで除算した値になる。
マクスウェルの応力の大きさpm(m)は、次式で表される。電力管には、電力管に沿った方向に、電力管が縮もうとするpm(m)の張力が働き、電力管に垂直な方向に、電力管の側面を押圧する−pm(m)の圧力が加わり、電力管は、電気的なひずみを受けた弾性体のように振る舞う。
次に、図14に、放電プラズマまわりの運動量の方程式を説明するイメージ図を示す。周辺気体と放電プラズマの中間部32との間の運動量の保存を考える。放電プラズマの半径をrとし、周辺気体の圧力をpとし、周辺気体の密度をρとすると、放電プラズマの中間部32よりも流動方向上流側の周辺気体と放電プラズマの中間部32との境界の領域では、次式が成り立つ。
ここで、A1は、流動方向に見た放電プラズマの中間部32の投影面積であり、A2は、放電プラズマの中間部32の断面積である。(23)式の左辺は運動量を、右辺は系に作用する力を考えている。左辺において、ρ・A1・vp2は、境界における放電プラズマの運動量を表しており、ρ・A1・va2は、境界における周辺気体の運動量を表している。右辺において、第1項のp・A1は、境界において上流側の周辺気体から放電プラズマに作用する気体の圧力を表しており、第2項のp・A1は、境界において放電プラズマから上流側の周辺気体に作用する気体の圧力を表しており、第3項の−pm・A1は、境界において放電プラズマに作用するマクスウェルの応力(圧力)を表している。右辺の第4項の2・pm・A2は、放電プラズマの中間部32の両端部に作用するマクスウェルの応力(張力)を表しており、両端部に作用するため、2倍されている。
(23)式をvaについて解くと次式を得る。放電プラズマの中間部32の移動速度vpの算出には(17)式を用い、マクスウェルの応力pmの算出には(22)式を用いることで、筒内流動速度vaを求めることができる。気体密度ρは、燃焼室25内に吸入された吸入空気量を、クランク角度に応じて定まる燃焼室25の容積で除算することで算出される。ここで、換算係数Kは、プラグギャップ長Lg及び放電プラズマの半径rにより定まる係数である。
2−4.放電プラズマ長算出部54、筒内流動算出部58等の各制御部の構成
以上により説明した放電プラズマ長の算出方法、及び筒内流動速度の算出方法の考え方に基づいて構成された各制御部の処理について、図15のフローチャートを用いて、具体的に説明する。
以上により説明した放電プラズマ長の算出方法、及び筒内流動速度の算出方法の考え方に基づいて構成された各制御部の処理について、図15のフローチャートを用いて、具体的に説明する。
<2次電圧検出部52>
ステップ1201で、2次電圧検出部52は、2次コイル132により生じた電圧である2次電圧V2を検出する2次電圧検出処理(2次電圧検出ステップ)を実行する。本実施の形態では、2次電圧検出部52は、点火コイル電圧センサ134の出力信号に基づいて2次電圧V2を検出するように構成されている。
ステップ1201で、2次電圧検出部52は、2次コイル132により生じた電圧である2次電圧V2を検出する2次電圧検出処理(2次電圧検出ステップ)を実行する。本実施の形態では、2次電圧検出部52は、点火コイル電圧センサ134の出力信号に基づいて2次電圧V2を検出するように構成されている。
具体的には、2次電圧検出部52は、点火コイル電圧センサ134としての分圧回路の分圧電圧を、入力回路92のA/D変換器によりA/D変換し、A/D変換値及び分圧抵抗比に基づいて2次電圧V2を検出する。2次電圧検出部52は、少なくとも、点火コイル制御部51が1次コイル131への通電を遮断した遮断時点(図5及び図6の時刻t0)から、放電が終了する時点(図5の時刻t2及び図6の時刻t2*)までの間、連続的にA/D変換を行って、2次電圧V2を検出する。
例えば、2次電圧検出部52は、1次コイル131への通電遮断時点の100μs前に、A/D変換を開始し、50μs毎に連続的にA/D変換を行う。通常の放電期間t0〜t2は1ms〜3ms程度であるので、少し長めにサンプリングするものとして、2次電圧検出部52は、A/D変換開始から4ms間に亘りA/D変換を行い、2次電圧V2を検出する。そして、2次電圧検出部52は、図17に示すように、各2次電圧V2の検出値をサンプリング番号mと対応させて、RAM等の記憶装置91に記憶する。サンプリング番号mは、A/D変換を行う毎に0から1ずつ増加される。
<2次電圧最小値算出部53>
続くステップ1202で、2次電圧最小値算出部53は、2次電圧検出部52により検出した2次電圧V2に基づいて、放電期間中の2次電圧の最小値V2minを算出する2次電圧最小値算出処理(2次電圧最小値算出ステップ)を実行する。なお、本発明において、2次電圧V2は、2次電圧V2の絶対値を意味するものとする。
続くステップ1202で、2次電圧最小値算出部53は、2次電圧検出部52により検出した2次電圧V2に基づいて、放電期間中の2次電圧の最小値V2minを算出する2次電圧最小値算出処理(2次電圧最小値算出ステップ)を実行する。なお、本発明において、2次電圧V2は、2次電圧V2の絶対値を意味するものとする。
放電開始直後の2次電圧V20は、(6)式等からわかるように、放電開始直後の放電プラズマ長L0に等しくなるプラグギャップ長Lgと、放電開始直後の気体密度(筒内圧)に応じて変化する電気伝導率σ0とに応じて変化する。上記の構成によれば、放電期間中の2次電圧の最小値V2minを算出することにより、点火毎に変動する放電開始直後の2次電圧V20を精度よく検出することができる。
例えば、2次電圧最小値算出部53は、次式に示すような、サンプリング番号mの2次電圧V2(m)と、前回処理時の2次電圧の最小値V2minとの最小値取りを行った値を、今回処理時の2次電圧の最小値V2minとして更新する処理を、サンプリング番号mをA/D変換開始番号から終了番号まで変化させて繰り返し行い、放電期間中の2次電圧の最小値V2minを算出する。ここで、min()は、最小値取りの処理を表す。なお、2次電圧の最小値V2minから、放電期間外の0[V]付近の2次電圧V2は除かれる。
なお、ステップ1202以降の処理は、連続的なA/D変換完了後の所定のクランク角度における割込処理により行われ、例えば、A/D変換完了後に最初に来るBTDC75degCAの割込処理内にて行われる。
<放電プラズマ長算出部54>
続くステップ1203では、放電プラズマ長算出部54は、2次電圧V2、及び2次電圧の最小値V2minに基づいて、放電プラズマの長さである放電プラズマ長Lを算出する放電プラズマ長算出処理(放電プラズマ長算出ステップ)を実行する。上述した放電プラズマ長算出の考え方からわかるように、2次電圧V2、及び2次電圧の最小値V2minに基づいて、放電プラズマ長Lを算出することができる。
続くステップ1203では、放電プラズマ長算出部54は、2次電圧V2、及び2次電圧の最小値V2minに基づいて、放電プラズマの長さである放電プラズマ長Lを算出する放電プラズマ長算出処理(放電プラズマ長算出ステップ)を実行する。上述した放電プラズマ長算出の考え方からわかるように、2次電圧V2、及び2次電圧の最小値V2minに基づいて、放電プラズマ長Lを算出することができる。
本実施の形態では、放電プラズマ長算出部54は、(13)式により、放電プラズマ長Lを算出する。放電プラズマ長算出部54は、(13)式により、放電期間中の各時刻の放電プラズマ長Lを算出する。ここでは、放電プラズマ長算出部54は、(13)式を本実施の形態に合わせて修正した次式を用いて、2次電圧の最小値V2min、及び各サンプリング番号mの2次電圧V2(m)に基づいて、放電期間中の各時刻に対応する各サンプリング番号mの放電プラズマ長L(m)を算出する。すなわち、放電プラズマ長算出部54は、次式の演算を、サンプリング番号mをA/D変換開始番号から終了番号まで変化させて繰り返し行い、図16に示すように、各放電プラズマ長L(m)をサンプリング番号mと対応させて、RAM等の記憶装置91に記憶する。
ここで、プラグギャップ長Lgは、予め設定された固定値とされている。べき指数nは、1.0から3.0の範囲内の値とされている。例えば、最も簡単な近似として、べき指数nは、2.0の固定値に予め設定される(n=2)。この設定により、制御装置50の演算負荷を低減できる。
或いは、上述したように、べき指数nは点火時点の筒内圧等に応じて変化するため、放電プラズマ長算出部54は、点火時点の筒内圧に相関する内燃機関の運転状態に応じて、べき指数nを、1.0から3.0の範囲内で変化させてもよい。例えば、放電プラズマ長算出部54は、べき指数nと、筒内圧に相間する運転状態との関係が予め設定されたべき指数設定マップを参照し、現在の運転状態に対応するべき指数nを算出する。点火時点の筒内圧に相間する運転状態として、充填効率が用いられてもよいし、充填効率に加えて内燃機関の回転速度が用いられてもよい。或いは、点火時点の筒内圧に相間する運転状態として、充填効率、ポリトロープの関係式などにより推定した推定筒内圧が用いられてもよい。
続くステップ1204で、放電プラズマ長算出部54は、放電期間中の放電プラズマ長Lに基づいて、放電期間中の放電プラズマ長Lの最大値Lmaxを算出する。例えば、放電プラズマ長算出部54は、次式に示すような、サンプリング番号mの放電プラズマ長L(m)と、前回処理時の放電プラズマ長の最大値Lmaxとの最大値取りを行った値を、今回処理時の放電プラズマ長の最大値Lmaxとして更新する処理を、サンプリング番号mをA/D変換開始番号から終了番号まで変化させて繰り返し行い、放電期間中の放電プラズマ長Lの最大値Lmaxを算出する。ここで、max()は、最大値取りの処理を表す。なお、放電プラズマ長の最大値Lmaxは、点火毎に0にリセットされる。
<吹き飛び回数Nrの算出>
続くステップ1205で、放電プラズマ長算出部54は、放電期間中の放電プラズマ長Lに基づいて、放電期間中の放電プラズマの吹き飛び回数Nrを算出する。放電プラズマの吹き飛びとは、筒内流動が強すぎるために放電プラズマが途切れてしまうことをいい、通常は吹き飛び後に点火コイルのコアにエネルギーが残っている時には再度火花放電(再放電)が生じる。このため、筒内流動が強い場合には、1点火間に何度も放電プラズマの吹き飛びが起こることがある。なお、似た現象として放電プラズマの経路短縮がある。これは放電プラズマが伸長した際に、長く伸びた放電プラズマが絡むように接触することで、放電プラズマが短い経路に切り替わることをいう。
続くステップ1205で、放電プラズマ長算出部54は、放電期間中の放電プラズマ長Lに基づいて、放電期間中の放電プラズマの吹き飛び回数Nrを算出する。放電プラズマの吹き飛びとは、筒内流動が強すぎるために放電プラズマが途切れてしまうことをいい、通常は吹き飛び後に点火コイルのコアにエネルギーが残っている時には再度火花放電(再放電)が生じる。このため、筒内流動が強い場合には、1点火間に何度も放電プラズマの吹き飛びが起こることがある。なお、似た現象として放電プラズマの経路短縮がある。これは放電プラズマが伸長した際に、長く伸びた放電プラズマが絡むように接触することで、放電プラズマが短い経路に切り替わることをいう。
図17は、放電プラズマの吹き飛び及び経路短縮が起きた場合の2次コイル132側の挙動を示すタイミングチャート図である。図17の時刻t3で、放電プラズマが吹き飛んだ後に再放電が起きている場合を示している。再放電の開始直後の放電プラズマ長Lは、プラグギャップ長Lgまで再び短くなる。2次電圧V2(絶対値)は、時刻t3で、絶縁破壊電圧Vbk近くまで短時間に上昇し、絶縁破壊を生じさせた後、再放電の開始により最小値V2minまで低下している。2次電流I2(絶対値)は、時刻t3で、放電プラズマの吹き飛びにより一旦ゼロまで落ちた後、再放電の開始により、磁気エネルギーに応じた、吹き飛び直前と同レベルまで回復している。
時刻t4で、経路短縮が起きた場合を示している。経路短縮直後の放電プラズマ長は、プラグギャップ長Lg付近まで再び短くなる。2次電圧V2は、時刻t4で、最小値V2minまで低下しているものの、絶縁破壊を生じる必要が無く、上昇していない。2次電流I2には、時刻t4で、ノイズのような変動が重畳している。ここでは放電プラズマの吹き飛びも経路短縮も、同じように燃焼性へ影響があるものと考えて、吹き飛び回数Nrに数えられるものとするが、吹き飛びのみが数えられるようにしてもよい。
放電プラズマの吹き飛び及び経路短縮が生じたとき、放電プラズマの長は瞬時に短くなる。このとき、(13)式又は(27)式により算出される放電プラズマ長Lは、2次電圧V2が最小値V2min付近まで低下するので、瞬時に小さくなる。そこで、放電プラズマ長算出部54は、放電プラズマ長Lの時間減少量ΔLが、予め設定された吹き飛び判定値Kjdgより大きい場合に、吹き飛びが生じたと判定し、吹き飛び回数Nrを1増加させる。
放電プラズマ長算出部54は、次式に示すように、1つ前のサンプリング番号(m−1)の放電プラズマ長L(m−1)から今回のサンプリング番号(m)の放電プラズマ長L(m)を減算して算出した時間減少量ΔLが、吹き飛び判定値Kjdgより大きいか否かを判定し、大きい場合に、吹き飛び回数Nrを1増加させる処理を、サンプリング番号mをA/D変換開始番号から終了番号まで変化させて繰り返し行い、放電期間中の吹き飛び回数Nrを算出する。ここで、吹き飛び判定値Kjdgは、プラグギャップ長Lgと同程度から数倍程度の範囲内の値に設定されるとよい。なお、吹き飛び回数Nrは、点火毎に0にリセットされる。
なお、吹き飛び回数Nrから、経路短縮によるものを除外する場合は、放電プラズマ長Lの時間減少量ΔLが吹き飛び判定値Kjdgより大きくなる条件に加えて、2次電圧V2が絶縁破壊電圧Vbkに近い値まで上昇した場合のみ、吹き飛び回数Nrを1増加させればよい。
このように吹き飛び回数Nrを算出することで、筒内流動に相間する値を、放電プラズマ長Lに加えて、算出することができ、筒内流動の強弱の判定精度を向上させることができる。
<筒内流動算出部58>
続くステップ1206で、筒内流動算出部58は、放電プラズマ長Lの時間変化と放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力とに基づいて、燃焼室内の気体の流動速度である筒内流動速度vaを算出する筒内流動算出処理(筒内流動算出算出ステップ)を実行する。上述した筒内流動速度算出の考え方からわかるように、放電プラズマ長Lの時間変化と放電プラズマのクーロン力に基づいて、筒内流動速度vaを算出することができる。
続くステップ1206で、筒内流動算出部58は、放電プラズマ長Lの時間変化と放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力とに基づいて、燃焼室内の気体の流動速度である筒内流動速度vaを算出する筒内流動算出処理(筒内流動算出算出ステップ)を実行する。上述した筒内流動速度算出の考え方からわかるように、放電プラズマ長Lの時間変化と放電プラズマのクーロン力に基づいて、筒内流動速度vaを算出することができる。
本実施の形態では、筒内流動算出部58は、放電プラズマ長Lの時間変化に基づいて、筒内流動による放電プラズマの伸長により、放電プラズマの中間部32が筒内流動の方向に移動する移動速度vpを算出する。例えば、放電プラズマをU字型にモデル化し、U字の第1側部30及び第2側部31の2個所が、中間部32の移動速度vpで伸長することから導出した(17)式と同様の次式が用いられる。筒内流動算出部58は、放電プラズマ長Lの時間変化率を2で除算した値を、放電プラズマの中間部32の移動速度vpとして算出する。筒内流動算出部58は、今回のサンプリング番号(m)の放電プラズマ長L(m)から、1つ前のサンプリング番号(m−1)の放電プラズマ長L(m−1)を減算した値を、サンプリング時間間隔Δtで除算した値を、放電プラズマ長Lの時間変化率として算出し、その時間変化率を2で除算した値を、今回のサンプリング番号(m)の中間部32の移動速度vp(m)として算出する。図16に示すように、筒内流動算出部58は、サンプリング番号mをA/D変換開始番号から終了番号まで変化させて、移動速度vpの算出を繰り返し行い、RAM等の記憶装置91に記憶する。
上述したように、電力管としての放電プラズマには、放電プラズマに沿った方向に、放電プラズマが縮もうとするマクスウェルの応力pmの張力が働き、放電プラズマに垂直な方向に、放電プラズマの側面を押圧するマクスウェルの応力pmの圧力が加わり、放電プラズマは、電気的なひずみを受けた弾性体のように振る舞う。そのため、マクスウェルの応力pmが、筒内流動に応じて伸長しようとする放電プラズマに作用する。筒内流動算出部58は、2次電圧V2及び放電プラズマ長Lに基づいて、クーロン力により放電プラズマに作用するマクスウェルの応力pmを算出する。筒内流動算出部58は、(21)式、(22)式と同様の次式が用いて、マクスウェルの応力pmを算出する。ここで、真空の誘電率ε0は、予め設定された値とされる。図16に示すように、筒内流動算出部58は、サンプリング番号mをA/D変換開始番号から終了番号まで変化させて、マクスウェルの応力pmの算出を繰り返し行い、RAM等の記憶装置91に記憶する。
筒内流動算出部58は、放電プラズマの中間部32の移動速度vp及びマクスウェルの応力pmに基づいて、筒内流動速度vaを算出する。この構成によれば、放電プラズマに作用するマクスウェルの応力pmの張力等により生じる、筒内流動速度vaと放電プラズマの移動速度vpとのずれを考慮して、筒内流動速度vaを精度よく算出することができる。
上述したように、U字型にモデル化した放電プラズマの中間部32についての、マクスウェルの応力pmを考慮した(23)式の運動量の方程式から(24)式を導出することができた。筒内流動算出部58は、(24)式と同様の次式の第1式を用い、放電プラズマの中間部32の移動速度vp、及びマクスウェルの応力pmに基づいて、筒内流動速度vaを算出する。
ここで、換算係数Kは、(32)式の第2式を用いて、プラグギャップ長Lg及び放電プラズマの半径rにより算出された値に予め設定されてもよく、或いは、実験データに基づいて調整された適合値とされてもよい。筒内流動算出部58は、クランク角度と燃焼室25の容積との幾何学的関係を表す特性データを用い、クランク角度に基づいて燃焼室25の容積を算出し、燃焼室25内に吸入された吸入空気量を、燃焼室25の容積で除算して、気体密度ρを算出する。図16に示すように、筒内流動算出部58は、サンプリング番号mをA/D変換開始番号から終了番号まで変化させて、筒内流動速度vaの算出を繰り返し行い、RAM等の記憶装置91に記憶する。
或いは、(24)式を近似した(25)式から、筒内流動速度vaは、放電プラズマの中間部32の移動速度vpに、マクスウェルの応力pmに応じた値を加算することにより算出できることがわかる。そこで、筒内流動算出部58は、放電プラズマの中間部32の移動速度vpにマクスウェルの応力pmに応じた値を加算した値を、筒内流動速度vaとして算出するように構成されてもよい。ここで、筒内流動算出部58は、(25)式の右辺第2項を用いて、マクスウェルの応力pmに応じた値を算出してもく、或いは、マクスウェルの応力pm及び放電プラズマの中間部32の移動速度vpを変数とした別の関数を用いて、マクスウェルの応力pmに応じた値を算出してもよい。例えば、関数は、実験データに基づく近似式等とされる。
次に、図18のフローチャートを参照しながら、放電プラズマ長L、筒内流動速度va等に基づいて、筒内流動を操作する処理を説明する。
<流動相関値算出部55>
ステップ1501で、流動相関値算出部55は、放電プラズマ長L及び筒内流動速度vaの一方又は双方に基づいて、燃焼室25内の流動である筒内流動の強弱を表す流動相関値Cvを算出する流動相関値算出処理(流動相関値算出ステップ)を実行する。放電プラズマ長Lを用いる場合は、流動相関値算出部55は、放電期間中の放電プラズマ長Lに基づいて算出された、放電期間中の放電プラズマ長の最大値Lmaxに基づいて流動相関値Cvを算出する。流動相関値算出部55は、放電期間中の放電プラズマ長の最大値Lmaxが、図19に示すように、予め設定されたプラグギャップ長Lgよりも大きくなるに従って、流動相関値Cvを次第に増加させる。
ステップ1501で、流動相関値算出部55は、放電プラズマ長L及び筒内流動速度vaの一方又は双方に基づいて、燃焼室25内の流動である筒内流動の強弱を表す流動相関値Cvを算出する流動相関値算出処理(流動相関値算出ステップ)を実行する。放電プラズマ長Lを用いる場合は、流動相関値算出部55は、放電期間中の放電プラズマ長Lに基づいて算出された、放電期間中の放電プラズマ長の最大値Lmaxに基づいて流動相関値Cvを算出する。流動相関値算出部55は、放電期間中の放電プラズマ長の最大値Lmaxが、図19に示すように、予め設定されたプラグギャップ長Lgよりも大きくなるに従って、流動相関値Cvを次第に増加させる。
筒内流動速度vaを用いる場合は、流動相関値算出部55は、放電期間中の筒内流動速度vaの平均値又は最大値等の統計処理値に基づいて流動相関値Cvを算出する。図20に示すように、流動相関値算出部55は、筒内流動速度vaの統計処理値が増加するに従って、流動相関値Cvを次第に増加させる。
流動相関値算出部55は、放電プラズマ長Lを用いて算出した流動相関値Cv及び筒内流動速度vaを用いて算出した流動相関値Cvの一方を用いてもよく、双方の平均値を用いてもよく、運転条件に応じていずれを用いるかを切り替えてもよい。
筒内流動が強すぎて放電プラズマの吹き飛び又は経路短縮が生じた場合は、吹き飛びにより放電プラズマ長Lが一旦短くなるために、放電プラズマ長の最大値Lmaxが筒内流動の強さほど、大きくならない。また、吹き飛び又は経路短縮が生じた時に、放電プラズマ長Lの時間変化率が乱れ、筒内流動速度vaの算出精度が悪化する。そこで、流動相関値算出部55は、放電期間中の放電プラズマ長の最大値Lmax又は筒内流動速度va、及び吹き飛び回数Nrに基づいて、流動相関値Cvを算出するように構成されている。なお、筒内流動速度vaの統計処理により、筒内流動速度vaの算出精度の悪化を抑制できる場合は、流動相関値Cvの算出に、吹き飛び回数Nrが考慮されなくてもよい。
例えば、流動相関値算出部55は、放電期間中の吹き飛び回数Nrが0回である場合は、上記のように、放電期間中の放電プラズマ長の最大値Lmax又は筒内流動速度vaに基づいて、流動相関値Cvを算出する。流動相関値算出部55は、放電期間中の吹き飛び回数Nrが1回以上である場合は、吹き飛び回数Nrに基づいて流動相関値Cvを算出する。ここで、吹き飛び回数Nrに基づく流動相関値Cvは、後述する流動強判定値Thsよりも大きい値に設定される。すなわち、後述する流動制御部56は、放電期間中の吹き飛び回数Nrが1回以上である場合は、筒内流動が強いと判定する。図19及び図20に示すように、流動相関値算出部55は、放電期間中の吹き飛び回数Nrが増加するに従って、流動相関値Cvを次第に増加させる。
<流動制御部56及び点火エネルギー増大部57>
ステップ1502からステップ1505で、流動制御部56は、流動相関値Cvに基づいて、筒内流動が強いか弱いかを判定し、筒内流動が強いと判定した場合は、筒内流動を操作可能な流動操作機構を、流動を弱める側に制御し、流動が弱いと判定した場合は、流動操作機構を、流動を強める側に制御する流動制御処理(流動制御ステップ)を実行する。
ステップ1502からステップ1505で、流動制御部56は、流動相関値Cvに基づいて、筒内流動が強いか弱いかを判定し、筒内流動が強いと判定した場合は、筒内流動を操作可能な流動操作機構を、流動を弱める側に制御し、流動が弱いと判定した場合は、流動操作機構を、流動を強める側に制御する流動制御処理(流動制御ステップ)を実行する。
本実施の形態では、流動制御部56は、ステップ1502で、流動相関値Cvが、予め設定された流動強判定値Thsよりも大きく、筒内流動が強いか否かを判定する。流動制御部56は、ステップ1502で流動相関値Cvが流動強判定値Thsよりも大きく、筒内流動が強いと判定された場合は、ステップ1503で、流動操作機構を、流動を弱める側に制御する。
本実施の形態では、流動操作機構は、吸気バルブ10及び排気バルブ11の開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構とされており、流動制御部56は、ステップ1503で、吸気バルブ10の開閉タイミングの位相角、及び排気バルブ11の開閉タイミングの位相角を筒内流動が弱くなる方向に変化させる。流動制御部56は、回転速度及び充填効率等の運転状態と、筒内流動を弱めるための吸気及び排気バルブの位相角との関係が予め設定された位相角マップを参照し、現在の運転状態に対応する筒内流動を弱めるための吸気及び排気バルブの位相角を算出する。そして、流動制御部56は、吸気及び排気バルブの位相角を、筒内流動を弱めるための吸気及び排気バルブの位相角に向かって変化させる。
また、点火エネルギー増大部57は、ステップ1503で、筒内流動が強いと判定された場合は、点火コイル制御部51に指令して、点火プラグ12に供給される点火エネルギーを増大させる。具体的には、点火エネルギー増大部57は、点火コイル制御部51に指令して通電時間を運転状態に応じて算出された値から増加させる。通電時間を長くすると、1次コイル131によりコア136に蓄えられる磁気エネルギーが増大するため、2次電流I2が大きくなる。この場合、(4)式で考えたように放電プラズマの断面積Sも大きくなることから、放電プラズマが吹き飛びにくくなり、混合気の着火性が向上する。
一方、流動制御部56は、ステップ1502で流動相関値Cvが流動強判定値Thsよりも大きくないと判定した場合は、ステップ1504に進み、流動相関値Cvが、流動強判定値Ths以下の値に予め設定された流動弱判定値Thwよりも小さく、筒内流動が弱いか否かを判定する。流動制御部56は、ステップ1504で流動相関値Cvが流動弱判定値Thwよりも小さく、筒内流動が弱いと判定された場合は、ステップ1505で、流動操作機構(吸気及び排気バルブの位相角)を、流動を強める側に制御する。
本実施の形態では、流動制御部56は、ステップ1505で、吸気バルブ10の開閉タイミングの位相角、及び排気バルブ11の開閉タイミングの位相角を筒内流動が強くなる方向に変化させる。流動制御部56は、回転速度及び充填効率等の運転状態と、筒内流動を強めるための吸気及び排気バルブの位相角との関係が予め設定された位相角マップを参照し、現在の運転状態に対応する筒内流動を強めるための吸気及び排気バルブの位相角を算出する。そして、流動制御部56は、吸気及び排気バルブの位相角を、筒内流動を強めるための吸気及び排気バルブの位相角に向かって変化させる。
なお、点火エネルギー増大部57は、ステップ1504で、筒内流動が弱いと判定された場合は、点火プラグ12に供給される点火エネルギーを変化させない。すなわち、通電時間は、運転状態に応じて算出された値のままに維持される。
一方、流動制御部56は、ステップ1504で流動相関値Cvが流動弱判定値Thwよりも小さくないと判定した場合は、筒内流動が強くも弱くもない、中間的な流動状態であると判定する。そして、流動制御部56は、流動操作機構(吸気及び排気バルブの位相角)を弱める側にも強める側にも変化させず、処理を終了する。点火エネルギー増大部57も、点火エネルギーを変化させない。
以上のように、放電プラズマ長L及び筒内流動速度vaを推定し、推定した放電プラズマ長L及び筒内流動速度vaの一方又は双方に基づいて筒内流動や点火エネルギーを制御することで、例えば高希釈燃焼のような安定燃焼領域の狭い燃焼時においても良好な燃焼性を確保することができる。
〔その他の実施の形態〕
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
(1)上記の実施の形態1においては、2次電圧検出部52は、2次電圧V2を直接的に検出する点火コイル電圧センサ134の出力信号に基づいて2次電圧V2を検出するように構成されている場合を例として説明した。しかし、2次電圧V2は非常に高電圧になるため、この電圧を制御装置50に取り込むと大きなノイズが発生して、制御装置50が誤作動を起こす恐れがあり、ノイズ対策が必要になる。そこで、2次電圧検出部52は、1次コイル131により生じた電圧である1次電圧V1を検出し、1次電圧V1に基づいて2次電圧V2を検出するように構成されてもよい。
図21に、この場合の点火プラグ12及び点火コイル13の回路構成図を示す。点火コイル13は、1次コイル131により生じる電圧である1次電圧V1に応じた電気信号を出力する点火コイル電圧センサ138を備えている。点火コイル電圧センサ138は、1次電圧V1を、直列接続された2つの抵抗で分圧する分圧回路とされており、イグナイタ133に並列接続されている。2つの抵抗の接続点の分圧電圧が、制御装置50に入力される。
1次コイル131の一端は、直流電源20の正極に接続され、1次コイル131の他端は、イグナイタ133を介して、グランドに接続されている。また、1次コイル131の他端は、分圧回路とされた点火コイル電圧センサ138を介してグランドに接続されている。2次コイル132の一端は、直流電源20の正極に接続され、2次コイル132の他端は、点火プラグ12を介してグランドに接続されている。
2次電圧検出部52は、点火コイル電圧センサ134としての分圧回路の分圧電圧を、入力回路92のA/D変換器によりA/D変換し、A/D変換値及び分圧抵抗比に基づいて1次電圧V1を検出する。そして、2次電圧検出部52は、次式に示すように、検出した1次電圧V1に、1次コイル131と2次コイル132との巻き数比Nを乗算した値を、2次電圧V2として検出する。巻き数比Nは、2次コイル132の巻き数を、1次コイル131の巻き数で除算した値であり、予め設定されている。
この構成によれば、2次電圧V2より電圧の低い1次電圧V1を制御装置50に取り込むので、ノイズの抑制ができるようになり、実施の形態1に比べると、電圧検出のノイズ対策を軽減することができる。
(2)上記の実施の形態1においては、流動操作機構は、吸気バルブ10及び排気バルブ11の開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構とされている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、流動操作機構は、筒内流動を操作可能な機構であれば、どのような機構であってもよく、1つ又は複数の流動操作機構が備えられ、流動相関値Cvに基づいて制御されてもよい。例えば、流動操作機構は、吸気ポートの一部を塞いで燃焼室25内にスワール流動又はタンブル流動を生じさせる吸気ポートバルブであってもよい。制御装置50は、電動アクチュエータを制御して、吸気ポートバルブの開度を変化させる。
スワール流動を生じさせる吸気ポートバルブは、一般に、スワールコントロールバルブと呼ばれるものであって、例えば、2つある吸気ポートの片側のみを塞ぎ、燃焼室25内の横渦(スワール)流動の強弱を操作できる。タンブル流動を生じさせる吸気ポートバルブは、一般に、タンブルコントロールバルブと呼ばれるものであって、例えば、吸気ポートの上側又は下側のみを塞ぎ、燃焼室25内の縦渦(タンブル)流動の強弱を操作できる。
流動制御部56は、流動が強いと判定した場合は、吸気ポートバルブの開度を、流動を弱める側(例えば、開き側)に変化させ、流動が弱いと判定した場合は、吸気ポートバルブの開度を、流動を強める側(例えば、開き側)に変化させる。
(3)上記の実施の形態1においては、放電プラズマ長算出部54は、(13)式又は(27)式により、放電プラズマ長Lを算出するように構成されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、放電プラズマ長算出部54は、2次電圧V2及び2次電圧の最小値V2minに基づいて、放電プラズマ長Lを算出すれば他の方法を用いてもよい。例えば、放電プラズマ長算出部54は、2次電圧V2及び2次電圧の最小値V2min(例えば、V2/V2min)と、放電プラズマ長Lとの関係が予め設定されたプラズマ長マップを参照し、今回の2次電圧V2及び2次電圧の最小値V2minに対応する放電プラズマ長Lを算出するように構成されてもよい。
(4)上記の実施の形態1においては、流動制御部56は、流動相関値Cvが流動強判定値Thsよりも大きい場合に、流動を弱める側に流動操作機構を制御し、流動相関値Cvが流動弱判定値Thwよりも小さい場合に、流動を強める側に流動操作機構を制御するように構成されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、流動制御部56は、流動相関値Cvに基づいて、筒内流動の強弱を判定し、流動が強いと判定した場合は、流動を弱める側に流動操作機構を制御し、流動が弱いと判定した場合は、流動を強める側に流動操作機構を制御すればどのような方法を用いてもよい。例えば、流動制御部56は、目標流動相関値と流動相関値Cvとの偏差に応じて、流動を強める側又は弱める側への流動操作機構の操作量を変化させてもよい。
本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
1 内燃機関、10 吸気可変バルブタイミング機構、11 排気可変バルブタイミング機構、12 点火プラグ、13 点火コイル、20 直流電源、25 燃焼室、32 放電プラズマの中間部、50 内燃機関の制御装置、51 点火コイル制御部、52 2次電圧検出部、53 2次電圧最小値算出部、54 放電プラズマ長算出部、55 流動相関値算出部、56 流動制御部、57 点火エネルギー増大部、122 プラグギャップ、131 1次コイル、132 2次コイル、Cv 流動相関値、Kjdg 吹き飛び判定値、L 放電プラズマの長さ(放電プラズマ長)、Lg プラグギャップの長さ(プラグギャップ長)、Lmax 放電プラズマの長さの最大値、N 巻き数比、Nr 吹き飛び回数、V1 1次電圧、V2 2次電圧、V2min 2次電圧の最小値、n べき指数、pm マクスウェルの応力、va 筒内流動速度、vp 放電プラズマの中間部の移動速度、ΔL 放電プラズマの長さの時間減少量
Claims (14)
- 燃焼室内に配置されたプラグギャップを有する点火プラグと、直流電源からの電力が供給される1次コイル及び前記1次コイルよりも巻き数が多く、前記点火プラグに供給する高圧電圧を発生する2次コイルを有する点火コイルと、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記2次コイルに高圧電圧を発生させ、前記プラグギャップに火花放電を発生させるために、前記1次コイルと前記直流電源とを通電後遮断する点火コイル制御部と、
前記2次コイルにより生じた電圧である2次電圧を検出する2次電圧検出部と、
検出した前記2次電圧に基づいて、放電期間中の前記2次電圧の最小値を算出する2次電圧最小値算出部と、
前記2次電圧、及び前記2次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを算出する放電プラズマ長算出部と、
前記放電プラズマの長さの時間変化と前記放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力とに基づいて、前記燃焼室内の気体の流動速度である筒内流動速度を算出する筒内流動算出部と、を備えた内燃機関の制御装置。 - 前記筒内流動算出部は、前記放電プラズマの長さの時間変化に基づいて、筒内流動による前記放電プラズマの伸長により、前記放電プラズマの中間部が筒内流動の方向に移動する移動速度を算出し、
前記2次電圧及び前記放電プラズマの長さに基づいて、前記クーロン力により前記放電プラズマに作用するマクスウェルの応力を算出し、
前記放電プラズマの中間部の前記移動速度及び前記マクスウェルの応力に基づいて、前記筒内流動速度を算出する請求項1に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記筒内流動算出部は、前記放電プラズマの長さの時間変化率を2で除算した値を、前記放電プラズマの中間部の前記移動速度として算出し、
前記マクスウェルの応力をpmとし、前記2次電圧をV2とし、前記放電プラズマの長さをLとし、予め設定された真空の誘電率をε0として、
pm=1/2×ε0×(V2/L)2
の算出式により、前記マクスウェルの応力を算出する請求項2に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記筒内流動算出部は、前記放電プラズマの中間部の前記移動速度に、前記マクスウェルの応力に応じた値を加算した値を、前記筒内流動速度として算出する請求項2又は3に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記筒内流動算出部は、前記筒内流動速度をvaとし、前記放電プラズマの中間部の前記移動速度をvpとし、前記マクスウェルの応力をpmとし、前記燃焼室内の気体の密度をρとし、予め設定された換算係数をKとして、
va=√(vp2+K×pm/ρ)
の算出式により、前記筒内流動速度を算出する請求項2又は3に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記放電プラズマ長算出部は、前記放電プラズマの長さをLとし、前記2次電圧をV2とし、前記2次電圧の最小値をV20とし、予め設定された前記プラグギャップの長さをLgとし、1.0から3.0の範囲内の値に設定されたべき指数をnとして、
L=Lg×(V2/V20)n
の算出式により、前記放電プラズマの長さを算出する請求項1から5のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記べき指数は、2.0に設定されている請求項6に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記放電プラズマ長算出部は、点火時点の前記燃焼室内の圧力に相関する内燃機関の運転状態に応じて、前記べき指数を1.0から3.0の範囲内で変化させる請求項6に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記筒内流動速度に基づいて、前記燃焼室内の流動の強弱を表す流動相関値を算出する流動相関値算出部と、
前記流動相関値に基づいて、前記燃焼室内の流動が強いか弱いかを判定し、流動が強いと判定した場合は、前記燃焼室内の流動を操作可能な流動操作機構を、流動を弱める側に制御し、流動が弱いと判定した場合は、前記流動操作機構を、流動を強める側に制御する流動制御部と、を更に備える請求項1から8のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記筒内流動速度に基づいて、前記燃焼室内の流動の強弱を表す流動相関値を算出する流動相関値算出部と、
前記流動相関値に基づいて、前記燃焼室内の流動が強いか弱いかを判定し、流動が強いと判定した場合は、前記点火コイル制御部に指令して、前記点火プラグに供給される点火エネルギーを増大させる点火エネルギー増大部と、を更に備える請求項1から9のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記放電プラズマ長算出部は、放電期間中の前記放電プラズマの長さに基づいて、放電期間中に前記放電プラズマが途切れた回数である吹き飛び回数を算出し、
前記流動相関値算出部は、前記筒内流動速度及び前記吹き飛び回数に基づいて、前記流動相関値を算出する請求項9又は10に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記流動操作機構は、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構、及び吸気ポートの一部を塞いで前記燃焼室内にスワール流動又はタンブル流動を生じさせる吸気ポートバルブの一方又は双方である請求項9に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記2次電圧検出部は、前記1次コイルにより生じた電圧を検出し、前記1次コイルの電圧に、前記1次コイルと前記2次コイルとの巻き数比を乗算した値を、前記2次電圧として検出する請求項1から12のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 燃焼室内に配置されたプラグギャップを有する点火プラグと、直流電源からの電力が供給される1次コイル及び前記1次コイルよりも巻き数が多く、前記点火プラグに供給する高圧電圧を発生する2次コイルを有する点火コイルと、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記2次コイルに高圧電圧を発生させ、前記プラグギャップに火花放電を発生させるために、前記1次コイルと前記直流電源とを通電後遮断する点火コイル制御ステップと、
前記2次コイルにより生じた電圧である2次電圧を検出する2次電圧検出ステップと、
検出した前記2次電圧に基づいて、放電期間中の前記2次電圧の最小値を算出する2次電圧最小値算出ステップと、
前記2次電圧、及び前記2次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを算出する放電プラズマ長算出ステップと、
前記放電プラズマの長さの時間変化と前記放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力に基づいて前記燃焼室内の気体の速度である筒内流動速度を算出する筒内流動算出ステップと、を実行する内燃機関の制御方法。
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