JP6494189B2 - 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の制御装置に関する。

火花点火式内燃機関において、気筒に充填された混合気に点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火花放電を惹起する。

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と、点火コイルの一次側に電流が流れる。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。その後、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と、一次電流が遮断された瞬間の自己誘導作用により点火コイルの一次側に高電圧が発生する。そして、一次側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で、中心電極と接地電極との間に火花放電が生じる（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１４−００５７５０号公報

冷間始動の直後、内燃機関の各部の温度が低い状況では、内燃機関が十分に暖機された後と比較して、インジェクタから噴射される燃料が霧化しにくい。うまく霧化しなかった燃料は、液状化して吸気ポートの内壁面や吸気バルブの傘部等に付着してしまい（いわゆるポートウェット）、気筒に吸引されにくい。さすれば、気筒に充填される混合気の空燃比がリーンとなって、その燃焼性が悪化する。

このため、従来、図８に示しているように、内燃機関の暖機が完了するまでの間は、インジェクタからの燃料噴射量を増量補正することにより、混合気の燃焼性の悪化を抑止している。

しかし、冷間始動直後の時期における燃料噴射量の増量は、内燃機関の燃費性能を高めるためには不利となる。

本発明は、火花点火式内燃機関の燃費性能のより一層の向上を図ることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、気筒に設置した点火プラグにおいて火花放電を惹起して気筒内の混合気に点火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、火花放電を惹起するために点火プラグに入力する電気エネルギを、内燃機関の温度が低いほど増加させ、また空燃比がリーンであるほど増加させるとともに、空燃比の変化量に対する点火プラグに入力する電気エネルギの変化量の比を、内燃機関の温度が高いほど大きくすることとし、火花放電を惹起するために点火プラグに入力する電気エネルギについて、空燃比がリーンである場合に点火プラグに入力する電気エネルギと、空燃比がリッチである場合に点火プラグに入力する電気エネルギとの差を、内燃機関の温度が高いほど拡大し、内燃機関の温度が低いほど縮小する内燃機関の制御装置を構成した。

即ち、内燃機関の温度が低い状況下において、点火プラグに入力する電気エネルギ、換言すれば火花放電のエネルギを増加させることにより、気筒に充填された混合気を確実に着火燃焼させ得るようにしたのである。このようなものであれば、冷間始動直後の時期における燃料噴射量の増量分を削減することが可能となる。

本発明によれば、火花点火式内燃機関の燃費性能のより一層の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における火花点火装置の回路図。 イグナイタの点弧から火花点火へと至る期間における、点火コイルの一次側コイルを流れる一次電流の推移を示す図。 内燃機関の気筒における燃焼圧及びイオン電流のそれぞれの推移を示す図。 ある運転領域におけるベース点火エネルギと内燃機関の燃費との関係を模式的に示す図。 内燃機関の運転領域とベース点火エネルギとの関係を例示する図。 内燃機関の温度及び空燃比と点火エネルギの加減量との関係を例示する図。 従来の内燃機関の制御における、冷却水温と燃料噴射量の増量補正量との関係を例示する図。

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。本実施形態における内燃機関は、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。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。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ものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子１３１を有するイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３の半導体スイッチ１３１が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の火花点火のタイミングで半導体スイッチ１３１が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。二次側の誘導電圧は、１０ｋＶないし３０ｋＶに達する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

点火コイル１４の一次側コイルは、半導体スイッチ１３１を介して車載の電源バッテリ１７に接続する。半導体スイッチ１３１を点弧し、バッテリ１７から供給される直流電圧を一次側コイルに印加して通電を開始すると、一次側コイルを含む一次側（低圧系）の回路を流れる一次電流は逓増する。

図３に、一次側コイルへの通電開始後の一次電流の推移を例示する。図３中、電流制限機能が働かない場合を破線で描画し、電流制限機能が働く場合を一点鎖線で描画している（実線については、後述する）。バッテリ１７及び一次側コイル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を印加した場合の一次電流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は逓増するが、その増加の速さは徐々に衰える。十分に長い時間が経過すると、図３中の破線のように一次電流はＥ／Ｒに飽和する。

イグナイタ１３は、一次電流の過大化を抑制する電流制限機能を有している。この電流制限機能は、今日普及している既製のイグナイタのそれと同様である。具体的には、制御回路１３２が、検出抵抗１３３を介して、一次電流を当該抵抗１３３の両端間電圧の形で恒常的に計測する。そして、その一次電流（抵抗１３３の両端間電圧）の大きさが規定値以下である間は半導体スイッチ１３１を点弧する一方、規定値を超えたときには半導体スイッチ１３１を消弧する。これにより、一次電流を図３中の一点鎖線のように規定値にクリップする。

なお、イグナイタ１３は、点火コイル１４またはイグナイタ１３自身の温度が上限値を超えるような異常発熱を感知した場合に、一次側コイルへの通電を強制的に遮断する機能をも有している。

本実施形態における点火コイル１４は、気筒１に充填された混合気への火花点火のために最低限必要となるエネルギよりもずっと大きな放電エネルギを発生させることのできる、従来のコイルと比べて大きなインダクタンスを有するものである。

気筒１の燃焼室内に充填された混合気に着火するために必要となる火花放電のエネルギは、通常３０ｍＪ程度である。従来の点火コイルは、専ら３０ｍＪ程度の電気エネルギの印加を受けて火花放電電圧を発生させることを想定したものである。故に、その耐熱限界も、３０ｍＪないし５０ｍＪ程度のエネルギなら十分に耐えられるという程度に過ぎない。

これに対し、本実施形態では、必要に応じて火花放電のエネルギを増強することを考えており、最大で１００ｍＪないし１３０ｍＪの電気エネルギを点火コイル１４に印加する。従来の点火コイルに１００ｍＪもの大きな電気エネルギを印加すると、これが過加熱して損傷する懸念がある。本実施形態における点火コイル１４は、混合気への火花点火のために必要となる電気エネルギよりもずっと大きな電気エネルギを蓄積することができ、また、そのような大きな電気エネルギが印加されたとしても発熱による損傷を生じないような高い耐熱性を有するものである。勿論、火花点火に最低限必要な程度の電気エネルギのみを点火コイル１４に印加するようにして、エネルギの浪費を避けることも可能である。

図３中、時点ｔ₁が、気筒１の点火タイミングである。この時点ｔ₁において、当該気筒１に付随するイグナイタ１３の半導体スイッチ１３１を消弧し、当該気筒１に付随する点火コイル１４の一次側コイルへの通電を遮断し、同点火コイル１４にて発生する誘導電圧を当該気筒１の点火プラグ１２の中心電極に印加する。

時点ｔ₀が、平常時における点火コイル１４の一次側コイルへの通電開始時点である。即ち、時点ｔ₀から時点ｔ₁までの期間が、点火コイル１４の一次側コイルへの通電時間となる。図３中、平常時において一次側コイルを流れる一次電流を実線で描画している。

翻って、時点ｔ₀’は、点火プラグ１２に入力する火花放電のための電気エネルギを平常時よりも増大させる場合の、点火コイル１４の一次側コイルへの通電開始時点である。即ち、時点ｔ₀’から時点ｔ₁までの期間が、点火コイル１４の一次側コイルへの通電時間となる。通電開始時点ｔ₀’が平常時の通電開始時点ｔ₀よりも早いことから、この場合の通電時間は平常時の通電時間よりも長くなる。図３中、この場合の一次電流を一点鎖線で描画している。

既に述べた通り、点火コイル１４の一次側コイルを流れる一次電流は、半導体スイッチ１３１の点弧（時点ｔ₀または時点ｔ₀’）の後逓増する。従って、点火タイミングｔ₁にて一次側コイルを流れている一次電流は、通電開始時点ｔ₀’を早めるほど大きくなる。一次電流が大きくなることは、点火コイル１４に印加する電気エネルギが大きくなることを意味し、ひいては、半導体スイッチ１３１の消弧（時点ｔ₁）により誘起され点火プラグ１２の中心電極に印加される誘導電圧が大きくなることを意味する。

要するに、通電開始時点ｔ₀’を早める（点火タイミングｔ₁において一次側コイルを流れている一次電流を大きくする）ほど、点火プラグ１２に入力される電気エネルギが大きくなる。その結果として、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間で生ずる火花放電の電圧が高くなり、火花放電が継続する時間も長くなる。

本実施形態のＥＣＵ０は、燃料の燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、そのイオン電流を参照して燃焼状態の判定を行うことができる。

図２に示しているように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図４に、正常燃焼における、イオン電流及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧）のそれぞれの推移を例示する。図４中、イオン電流を破線で描画し、燃焼圧力を実線で描画している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

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。

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。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部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における排気マニホルド４２またはそ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に接続している。

点火コイル１４への通電やバルブ２３、３２類の開閉駆動、車両に実装された電装系への電力供給源となる発電機（オルタネータまたはモータジェネレータ）１８は、内燃機関のクランクシャフトから（ベルト及びプーリを要素とする巻掛伝動装置等を介して）エンジントルクの供給を受けて発電し、その発電した電力を車載のバッテリ１７に充電する。

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、気筒１を内包するシリンダブロックの振動の大きさを検出するノックセンサから出力されるノック信号ｄ、車載のバッテリ１７の電流及び／または電圧を検出する電流／電圧センサから出力されるバッテリ電流／電圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する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ｆ、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ｇ、気筒１の燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力される電流信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、イグナイタ１３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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）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。

気筒１に充填される混合気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率に対する要求値である要求ＥＧＲ率は、内燃機関の負荷が中程度の中負荷領域において最も高く、そこから負荷が減少するほど低下し、また負荷が増大するほど低下する。アイドル運転またはこれに近い低負荷運転領域や、アクセル開度が全開または全開に近い高負荷（または、全負荷）運転領域では、要求ＥＧＲ率は０となり、ＥＧＲバルブ２３の開度も０となる。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータまたはモータジェネレータ。図示せず）に制御信号ｏを入力し、電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

本実施形態のＥＣＵ０は、気筒１に充填された混合気に火花点火する際に点火プラグ１２に入力する電気エネルギの大きさを、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，要求負荷（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（新気）量若しくは燃料噴射量）］に応じて設定されるベース点火エネルギに、現在の内燃機関の温度及び空燃比に応じて設定される加減量を加味して決定する。

ベース点火エネルギは、内燃機関が特に加速も減速もしない定常運転状態、即ちエンジン回転数の単位時間あたりの変化量の絶対値が所定以下である状態において、混合気の着火燃焼が安定し、かつエンジントルクが最大となるか最大に近くなるような電気エネルギ量であり、予め実験的に（試験または適合により）求められる。

図５は、ある運転領域における、火花放電を惹起するために点火プラグ１２に入力する電気エネルギの大きさと、定常運転状態にある内燃機関の燃費との関係を模式的に示したものである。図５中、Ｗ’は従来点火コイルに入力していた電気エネルギ（３０ｍＪ程度）を表す。その上で、点火プラグ１２に入力する電気エネルギ、即ち火花放電のエネルギを従来のそれＷ’よりも増大させると、気筒１における混合気の燃焼性が向上して、当該気筒１において熱−機械エネルギ変換により取り出される機械的エネルギが増加する。換言すれば、内燃機関が出力するエンジントルクが増大する。

しかしながら、点火プラグ１２に入力する電気エネルギは元来、内燃機関から回転トルクの伝達を受けて駆動される発電機１８によって発電されている。点火プラグ１２に入力する電気エネルギを増大させることは、発電機１８が発電のために消費する機械的エネルギが増加することを意味する。このため、点火プラグ１２に入力する電気エネルギを増大させることによって内燃機関が出力する機械的エネルギが増加する量と、発電機１８が同点火プラグ１２に入力する電気エネルギの増大分を発電するために余分に費やす機械的エネルギの量とが均衡する点が存在する。それが、図５中のＷ_Bであり、点火プラグ１２に入力する電気エネルギをＷ_Bよりも増大させることは却って内燃機関の効率を悪化させ、燃費性能を低下させてしまう。そこで、Ｗ_Bを、当該運転領域におけるベース点火エネルギに設定する。

但し、発電機１８の発電効率がエンジン回転数（発電機１８の回転数はエンジン回転数に比例する）に応じて変動することもあり、図５に例示している特性曲線の形状は内燃機関の運転領域毎に少なからず変化する。内燃機関の運転領域によっては、点火コイル１２に入力する電気エネルギの量を従来のそれＷ’より増大させても内燃機関の燃費性能が良化しないこともあり得る。そのような運転領域については、ベース点火エネルギＷ_Bを、従来の電気エネルギＷ’と同等に設定する。

図６に、内燃機関の運転領域とベース点火エネルギＷ_Bとの関係を示している。ベース点火エネルギＷ_Bは、内燃機関の負荷が小さいほど大きくする。これは、負荷が小さいほど吸気量及び燃料噴射量が少なく、混合気の着火及び燃焼が不安定化しやすいことによる。また、ベース点火エネルギＷ_Bは、全体的には、エンジン回転数が高いほど減少する傾向にある。尤も、エンジン回転数が顕著に高い高回転域では、エンジン回転数が高いほど若干ながらベース点火エネルギＷ_Bが増す。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，負荷（または、吸気圧、吸気（新気）量若しくは燃料噴射量）］とベース点火エネルギＷ_Bとの関係を規定したマップデータまたは関数式をメモリに記憶保持している。ＥＣＵは、現在の運転領域をキーとして当該マップを検索するか、現在の運転領域のパラメータを当該関数式に代入して、設定するべきベース点火エネルギＷ_Bを知得する。

点火プラグ１２に入力する電気エネルギの加減量は、内燃機関の温度を示唆する冷却水温が低いほど増加させ、また空燃比がリーンであるほど増加させる。なお、ここに言う空燃比は、ＥＣＵ０が演算して把握している、気筒１に充填される吸気（新気）量とインジェクタ１１に指令した燃料噴射量（インジェクタ１１の開弁時間）との比であって、インジェクタ１１から噴射されたにもかかわらず気筒１に吸引されないポートウェット分は必ずしも考慮されない。

さらに、本実施形態では、空燃比の変化量に対する、点火プラグ１２に入力するべき電気エネルギの変化量の比を、冷却水温が高いほど大きくする。図７に示すように、冷却水温を横軸に、点火プラグ１２に入力するべき電気エネルギ（の加減量Ｗ₁）を縦軸にとると、点火プラグ１２に入力する電気エネルギの量は空燃比如何によらず右肩下がりの逓減直線または逓減曲線となる。

だが、空燃比がリーン（ガソリンエンジンであれば、１４．６よりも高い値）である場合に点火プラグ１２に入力する電気エネルギと、空燃比がリッチ（ガソリンエンジンであれば、１４．６よりも低い値）である場合に点火プラグ１２に入力する電気エネルギとの差ΔＷは、冷却水温が高いほど拡大し、冷却水温が低いほど縮小する。

つまり、冷却水温が低い状況下では、空燃比がリーンであろうともリッチであろうとも、比較的大きな電気エネルギを点火プラグ１２に入力して火花放電のエネルギを増強する。内燃機関の各部の温度が低いときには、インジェクタ１１から噴射された燃料の一部がポートウェットとなって気筒１に吸引されない可能性が高い。加えて、点火プラグ１２に入力した電気エネルギの一部が点火プラグ１２の電極を熱するために消費され、アーク放電に寄与しない。それ故、気筒１に充填された混合気の着火燃焼性を高めるべく、空燃比がストイキオメトリないしリッチであったとしても、空燃比がリーンである場合に近い大きな電気エネルギを点火プラグ１２に入力するのである。また、冷却水温が低い状況下で大きな電気エネルギを点火プラグ１２に入力することは、点火プラグ１２にカーボン等のデポジットが付着するくすぶり現象を抑制することにもつながる。

他方、冷却水温が既にある程度以上高い状況下では、ポートウェットを生じる可能性が低下し、点火プラグ１２の電極も既に加熱された状態となっている。従って、空燃比がストイキオメトリないしリッチである場合には、気筒１に充填された混合気の着火燃焼性が担保されているので、空燃比がリーンである場合と比較して点火プラグ１２に入力する電気エネルギを削減することが許容される。

ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の冷却水温及び空燃比と点火エネルギの加減量Ｗ₁との関係を規定したマップデータまたは関数式をメモリに記憶保持している。ＥＣＵは、現在の冷却水温及び空燃比をキーとして当該マップを検索するか、現在の冷却水温及び空燃比を当該関数式に代入して、設定するべき点火エネルギの加減量Ｗ₁を知得する。

そして、ＥＣＵ０は、気筒１に充填された混合気に火花点火する際に点火プラグ１２に入力する電気エネルギの大きさＷを、
Ｗ＝Ｗ_B＊Ｗ₁
の形で算定する。演算子＊は、加算または乗算を意味する。加減量Ｗ₁は、これを加味するための演算子＊が加算である場合には０または負値であることがあり、当該演算子＊が乗算である場合には１または１よりも小さい正数であることがある。

だが、点火コイル１４は通電により熱を持つ。上述した点火エネルギＷを点火プラグ１２に入力するべく、点火コイル１４に無制限に通電すると、点火コイル１４が溶損するおそれがある。点火コイル１４の熱害による損傷を避けるには、点火プラグ１２に入力する電気エネルギＷの大きさに上限を設定することにより、点火コイル１４の一次側コイルに通電する時間に制限をかけるべきである。

よって、例えば、点火プラグ１２に入力する電気エネルギＷの上限を、点火コイル１４の許容温度と現在の点火コイル１４の温度との差分が大きいほど高く設定する。

ＥＣＵ０は、現在の点火コイル１４の温度を推定により求める。現在の点火コイル１４の温度は、点火コイル１４の発熱量及び受熱量と、同点火コイル１４の放熱量との兼ね合い即ち熱量の収支によって決まる。ＥＣＵ０は、直近の過去に推定した点火コイル１４の温度に、単位時間あたりの温度変化量を加算する形で、現在の点火コイル１４の温度を推定する。そして、その温度推定を、所定周期即ち単位時間毎に反復的に遂行する。

点火コイル１４自身の単位時間あたりの発熱量は、点火コイル１４に印加された単位時間あたりの電力量に比例する。ＥＣＵ０は、点火コイル１４への印加電圧及び印加電流の瞬時値を実測または推算できるので、点火コイル１４に印加された単位時間あたりの電力量ひいては点火コイル１４の発熱量を演算することが可能である。点火コイル１４の一次側コイルに通電しない半導体スイッチ１３１の消弧期間は、点火コイル１４に印加される電力量が０となることは言うまでもない。点火コイル１４の発熱量は、半導体スイッチ１３１の点弧期間の消弧期間に対する比（いわば、一次電流の平均値、一次電流のＤＵＴＹ比）が大きいほど、即ちエンジン回転数が高いほど増加する。点火コイル１４の単位時間あたりの発熱量を点火コイル１４の熱容量（比熱）で除算すれば、当該発熱量に起因した点火コイル１４の単位時間あたりの温度上昇分を把握できる。

点火コイル１４が受熱するか放熱するかは、点火コイル１４の温度とその周囲の温度との関係に応じる。点火コイル１４の温度がその周囲に存在する内燃機関の温度よりも低い場合には、点火コイル１４が内燃機関から受熱することになるので、内燃機関からの受熱量を考慮する。なお、内燃機関の温度は、冷却水温により示唆される。ＥＣＵ０は、点火コイル１４の推定温度と冷却水温との差と、点火コイル１４の単位時間あたりの受熱量との関係を規定したマップデータまたは関数式をメモリに記憶保持している。ＥＣＵは、直近の過去に推定した点火コイル１４の温度と現在の冷却水温との差分を求め、その差分をキーとして当該マップを検索するか、その差分を当該関数式に代入して、点火コイル１４の単位時間あたりの受熱量を知得する。点火コイル１４の単位時間あたりの受熱量を点火コイル１４の熱容量で除算すれば、当該受熱量に起因した点火コイル１４の単位時間あたりの温度上昇分を把握できる。

翻って、点火コイル１４の温度が内燃機関の温度よりも高い場合には、点火コイル１４が内燃機関に対して放熱することになるので、内燃機関に対する放熱量を考慮する。ＥＣＵ０は、冷却水温と点火コイル１４の推定温度との差と、点火コイル１４の単位時間あたりの放熱量との関係を規定したマップデータまたは関数式をメモリに記憶保持している。ＥＣＵは、現在の冷却水温と直近の過去に推定した点火コイル１４の温度との差分を求め、その差分をキーとして当該マップを検索するか、その差分を当該関数式に代入して、点火コイル１４の単位時間あたりの放熱量を知得する。点火コイル１４の単位時間あたりの放熱量を点火コイル１４の熱容量で除算すれば、当該放熱量に起因した点火コイル１４の単位時間あたりの温度降下分を把握できる。

さらに、点火コイル１４が、内燃機関を収容する車両のエンジンルーム内に対して放熱する放熱量をも考慮する。この放熱量は、外気温（または、吸気温）が低いほど多くなり、また、車速が高いほど（即ち、走行風が強いほど）多くなる。ＥＣＵ０は、外気温及び車速と、点火コイル１４の単位時間あたりの放熱量との関係を規定したマップデータまたは関数式をメモリに記憶保持している。ＥＣＵは、現在の外気温及び車速をキーとして当該マップを検索するか、現在の外気温及び車速を当該関数式に代入して、点火コイル１４の単位時間あたりの放熱量を知得する。点火コイル１４の単位時間あたりの放熱量を点火コイル１４の熱容量で除算すれば、当該放熱量に起因した点火コイル１４の単位時間あたりの温度降下分を把握できる。

ＥＣＵ０は、点火コイル１４自身の発熱に起因する単位時間あたりの温度上昇分、内燃機関からの受熱に起因する単位時間あたりの温度上昇分または内燃機関に対する放熱に起因する単位時間あたりの温度降下分、並びに、エンジンルーム内の雰囲気に対する放熱に起因する単位時間あたりの温度降下分を合算して、点火コイル１４の単位時間あたりの温度変化量を求める。この温度変化量を直近の過去に推定した点火コイル１４の温度に加算すれば、現在の点火コイル１４の推定温度を算出できる。

尤も、点火コイル１４の温度を検出するセンサまたは回路を実装し、当該センサまたは回路を介して現在の点火コイル１４の温度を実測してもよいことは言うまでもない。

気筒１に充填された混合気への火花点火の際、ＥＣＵ０は、点火コイル１４の許容温度と現在の点火コイル１４の温度との差分を求め、この差分が大きいほど、点火プラグ１２に入力する電気エネルギＷの上限を引き上げる。しかして、Ｗ_B＊Ｗ₁として算定した電気エネルギＷがその上限を超える場合には、火花点火のために点火プラグ１２に入力する電気エネルギの大きさを当該上限にクリップする。算定した電気エネルギＷがその上限以下である場合には、当該電気エネルギＷをそのまま点火プラグ１２に入力する電気エネルギとする。

ＥＣＵ０は、以上のようにして決定した電気エネルギを点火プラグ１２に入力するべく、点火コイル１４の一次側コイルに通電する時間を演算して、その通電時間の間だけ半導体スイッチ１３１を点弧する制御を実行する。一次側コイルへの通電時間は、決定した電気エネルギを点火プラグ１２に入力するために、半導体スイッチ１３１の消弧時点ｔ₁で一次側コイルに流しておく一次電流を確保するのに必要な通電時間である。当該一次電流は、点火プラグ１２に入力するべき電気エネルギが大きいほど大きい。

一次側コイルへの通電を開始する時点ｔ₀、ｔ₀’は、一次側コイルに印加される電圧の大きさにも依存する。点火タイミングｔ₁に所要の一次電流を確保するための所要時間は、一次側コイルへの印加電圧が大きいほど短くなるからである。基本的に、現在のバッテリ１７の電圧が高いほど、通電開始時点ｔ₀、ｔ₀’を遅くし、通電時間を短くする。

因みに、点火タイミングｔ₁に関しても、その基本となるベース点火タイミングは、現在の内縁機関の運転領域に応じて設定される。ベース点火タイミングは、内燃機関が特に加速も減速もしない定常運転状態、即ちエンジン回転数の単位時間あたりの変化量の絶対値が所定以下である状態において、混合気の着火燃焼が安定し、かつエンジントルクが最大となるか最大に近くなるような点火タイミングであり、予め実験的に（試験または適合により）求められる。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，負荷（または、吸気圧、吸気（新気）量若しくは燃料噴射量）］とベース点火タイミングとの関係を規定したマップデータまたは関数式をメモリに記憶保持している。ＥＣＵは、現在の運転領域をキーとして当該マップを検索するか、現在の運転領域のパラメータを当該関数式に代入して、設定するべきベース点火タイミングを知得する。

総じて言えば、気筒１に充填された混合気に点火するために点火プラグ１２に入力する電気エネルギＷ、及び当該点火プラグ１２において火花放電を惹起する火花点火タイミングｔ₁はそれぞれ、内燃機関の運転領域に応じて変化する。加えて、それら電気エネルギＷ及び火花点火タイミングｔ₁は、各気筒１毎に異なることがある。

本実施形態では、気筒１に設置した点火プラグ１２において火花放電を惹起して気筒１内の混合気に点火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、火花放電を惹起するために点火プラグ１２に入力する電気エネルギを、内燃機関の温度が低いほど増加させ、また空燃比がリーンであるほど増加させるとともに、空燃比の変化量に対する点火プラグに入力する電気エネルギの変化量の比、即ち図７に示しているΔＷを、内燃機関の温度が高いほど大きくする内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の温度が低い状況下において、点火プラグ１２に入力する電気エネルギ、換言すれば火花放電のエネルギを増加させ、気筒１に充填された混合気を安定して着火燃焼させることができる。従って、冷間始動直後の時期における燃料噴射量の増量分を削減することが可能となる。また、内燃機関の温度が高い状況下では、特に空燃比がストイキオメトリないしリッチである場合に、点火プラグ１２に入力する電気エネルギを削減し、発電機１８における発電に費やされる燃料を節約することができる。結果として、混合気の着火燃焼の安定化、ドライバビリティの向上とともに、内燃機関の総合的な燃費性能の良化を実現できる。

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。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適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ
１３…イグナイタ
１４…点火コイル
ｉ…点火信号

Claims (1)

1. 気筒に設置した点火プラグにおいて火花放電を惹起して気筒内の混合気に点火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、
   火花放電を惹起するために点火プラグに入力する電気エネルギを、内燃機関の温度が低いほど増加させ、また空燃比がリーンであるほど増加させるとともに、
   空燃比の変化量に対する点火プラグに入力する電気エネルギの変化量の比を、内燃機関の温度が高いほど大きくすることとし、
   火花放電を惹起するために点火プラグに入力する電気エネルギについて、空燃比がリーンである場合に点火プラグに入力する電気エネルギと、空燃比がリッチである場合に点火プラグに入力する電気エネルギとの差を、内燃機関の温度が高いほど拡大し、内燃機関の温度が低いほど縮小する内燃機関の制御装置。

Images