JP6660012B2 - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火制御に関する。

ガソリンエンジンのように点火装置を備えた内燃機関において、当該内燃機関の運転中に失火をした気筒を判定する装置が提案されている。
内燃機関の点火装置は、例えば点火コイルと点火プラグにより構成されており、点火コイルの一次側にパルス電流を流して、二次側に高電圧のパルス波を発生させて点火プラグの電極間で火花放電させる。

更に、特許文献１には、点火プラグの電極間に印加される二次電圧を検出し、当該二次電圧の減衰特性に基づいて失火を判定する装置が開示されている。特許文献１においては、二次電圧の減衰時間が比較的短く急速に降下する場合には正常に着火しており、二次電圧の減衰時間が比較的長く緩やかな場合には失火していると判定する。

特許第２５３５６９９号公報

ところで、近年では、リーンバーンエンジンやＥＧＲ導入エンジン等において急速燃焼を実現すべく筒内流動が強化された内燃機関が開発されている。更にこのような筒内流動が強化された内燃機関等において、点火放電の吹き消えに対応して着火性能が向上するように、一つのプラグに二つのコイルで交互に電力を供給し、放電回数を増加させた多重点火システムが検討されている。

しかしながら、多重点火システムにおいては、一回の始動において点火回数が増加するので、点火プラグの電極が早く消耗してしまうといった問題点がある。特に筒内の混合気が着火した後でも点火が繰り返されると、高温状況下での放電となるので電極の温度が上昇し、更に消耗し易くなってしまう。
本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、着火性能を向上させるとともに点火プラグの消耗を抑えた内燃機関の点火装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の点火装置では、１回のサイクルにおいて１つの点火プラグで複数回点火する多重点火システムを備えた内燃機関に備えられ、前記内燃機関の運転状態に基づいて１回のサイクルにおける点火回数を設定する点火回数設定部と、前記内燃機関の筒内での着火を判定する着火判定部と、前記着火判定部により着火判定した際の１回のサイクルにおける点火回数より多くの点火を抑制する点火制御部と、を有し、前記点火回数設定部は、前記内燃機関の運転状態に基づいて、１回のサイクルにおける点火回数を前記着火判定に基づいて抑制する多重点火と、前記着火判定を行なわず所定回数に固定する固定点火に切換えることを特徴とする。

好ましくは、前記点火制御部は、前記内燃機関の筒内流動が所定以上となる所定の運転領域において、前記着火判定した際の前記点火の抑制を実行するとよい。

好ましくは、前記点火回数設定部は、前記筒内が所定の高温領域となる運転状態では、前記点火回数を前記所定回数に固定するとよい。
好ましくは、前記点火制御部は、前記着火判定して所定回多く点火してから前記点火を抑制するとよい。
好ましくは、前記着火判定部において前記着火判定した際の点火回数を、次回以降のサイクルにおいて前記点火回数設定部において設定する前記点火回数に反映させる学習制御を実行する学習制御部を備えるとよい。

本発明の内燃機関の点火装置では、着火判定した際の１回のサイクルにおける点火回数より多くの点火を抑制するので、着火した以降での点火を抑制することができる。これにより、１回のサイクルにおいて１つの点火プラグで複数回点火する多重点火システムによって着火性能を向上しつつ、着火した以降の無駄な点火を抑制して点火プラグの保護を図ることができる。
また、内燃機関の運転状態に基づいて、１回のサイクルにおける点火回数を着火判定に基づいて抑制する多重点火と、着火判定を行なわず所定回数に固定する固定点火に切換えられるので、固定点火が行われる内燃機関の運転状態において制御負荷を軽減させることができる。

本発明の一実施形態の点火装置の構成図である。 第１の実施形態の点火回数制御要領を示すフローチャートである。 点火回数設定用マップの一例である。 着火判定時の二次電圧及び二次電流の推移の一例を示すグラフである。 第２の実施形態の点火回数制御要領を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態の点火装置の構成図である。図１は、１つの気筒における点火装置の構成を示している。
本発明の一実施形態である点火装置１を備えたエンジンは、例えば自動車の走行駆動用の多気筒のガソリンエンジンである。

図１は、１つの気筒における点火装置１の構成を示している。
図１に示すように、本実施形態に係る点火装置１は、各気筒に設けられた点火プラグ２（点火器）と、各気筒に２つずつ設けられた点火コイル３ａ、３ｂと、点火コイル３ａ、３ｂを制御するエンジンコントロールユニット１０を備えている。
点火コイル３ａ、３ｂは、一次電流を断続的に遮断するスイッチング素子としてのトランジスタ４ａ、４ｂを備えている。点火コイル３ａ、３ｂの一次コイル５ａ、５ｂの一端には車載バッテリ６が接続され、他端はトランジスタ４ａ、４ｂのコレクタに接続されている。トランジスタ４ａ、４ｂのベースは、エンジンコントロールユニット１０に接続され、エミッタは接地されている。

点火コイル３ａ、３ｂの二次コイル７ａ、７ｂの一端は、ダイオード８ａ、８ｂを介して点火プラグ２に接続されている。二次コイル７ａ、７ｂの他端は接地されている。
そして、エンジンコントロールユニット１０よりトランジスタ４ａ、４ｂのベースに点火信号として印加された電圧によって、トランジスタ４ａ、４ｂのコレクタに接続された一次コイル５a、５ｂに一次電流が流れる。点火時期においては、トランジスタ４ａ、４ｂに印加した電圧が急激に遮断されることで一次コイル５a、５ｂに流れていた一次電流が急激に低下するため、この電流の変化を妨げる方向に自己誘導起電力が発生する。すると、相互誘導作用により二次コイル７ａ、７ｂに高電圧が生成されて、点火プラグ２の電極に火花放電が生じる。ここで、点火プラグ２を流れる二次電流は時間と共に減衰し、三角波状のパルス電流となる。

点火コイル３ａ、３ｂは、一つの点火プラグ２に対して２つ接続されており、夫々の二次コイル７ａ、７ｂから電力が供給される構成となっている。ダイオード８ａ、８ｂは、１つの点火コイル（３ａ、３ｂのいずれか一方）から流れる電流が他の点火コイル（３ａ、３ｂの他方）に流れないように設けられている。
そして、エンジンコントロールユニット１０は、２つの点火コイル３ａ、３ｂに対し、交互に点火信号を印加、遮断することで、点火コイル３ａ、３ｂから交互に点火プラグ２に高電圧が印加され、１つの点火コイルしか有しない点火装置と比較して、同一の時間で２倍の回数の火花放電が得られる。

エンジンコントロールユニット１０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、タイマ及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成され、エンジン回転速度センサ１１により検出したエンジン回転速度やアクセル開度センサ１２により検出したアクセル操作量等のその他の情報を入力する。そして、エンジンコントロールユニット１０は、当該各種情報に基づいて、各気筒の各点火コイル３ａ、３ｂに点火信号を出力して、点火プラグ２による点火を制御する。

また、エンジンコントロールユニット１０は、当該各種情報に基づいて、図示しない燃料噴射弁の燃料噴射量及び燃料噴射時期、電子制御スロットルバルブ、ＥＧＲバルブ等のその他のエンジンの各種機器の作動制御を行うことで、エンジンの運転制御を行う。
更に、エンジンコントロールユニット１０は、エンジンの運転状態に基づいて多重点火回数Ｎignを設定する点火回数設定部１３と、エンジンの筒内での着火を判定する着火判定部１４と、点火を制御する点火制御部１５と、多重点火回数Ｎignを学習制御する学習制御部１６を備えている。

図２は、エンジンコントロールユニット１０において実行される第１の実施形態の点火回数制御要領を示すフローチャートである。図３は、点火回数設定用マップの一例である。図４は、着火判定時の二次電圧及び二次電流の推移の一例を示すグラフである。なお、図４では、１回の点火の間での二次電圧及び二次電流の推移を示している。
エンジンコントロールユニット１０は、エンジン運転中において、図２に示す点火回数制御を気筒毎に実施する。

エンジンコントロールユニット１０は、始めにステップＳ１０では、エンジン回転速度センサ１１からエンジン回転速度Ｎｅと、アクセル開度センサ１２からアクセル開度θapsを入力し、エンジンの目標トルクＴobjを算出する。そして、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、エンジン回転速度センサ１１からのエンジン回転速度Ｎe及びステップＳ１０で算出した目標トルクＴobjに基づいて、多重点火回数Ｎignを求める。多重点火回数Ｎignは、１回のサイクルにおいて点火する回数であって、二次コイル７ａ、７ｂ側に発生する三角波状のパルスの回数である。多重点火回数Ｎignは、あらかじめ記憶装置に記憶した図３に示すようなマップを読み込んで求められる。

図３に示すように、低回転低負荷（図３中の破線より低回転低負荷の領域）において多重点火回数Ｎignが２回以上の多重点火となり、高回転または高負荷では多重点火回数Ｎignが１回となる。また、多重点火の領域においても、多重点火回数Ｎignが２回から５回の間で低回転低負荷になるに伴って段階的に増加するように設定されている。そして、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、ステップＳ２０で求めた多重点火回数Ｎignが１より大きいか否かを判別する。多重点火回数Ｎignが１より大きい場合には、ステップＳ４０に進む。多重点火回数Ｎignが１以下の場合には、ステップＳ９０に進む。
ステップＳ４０では、多重点火回数Ｎignでの点火を実施する。なお、本実施形態では、２つの点火コイル３ａ、３ｂで交互に電力を供給して点火する構成であるので、１回のサイクルにおいて２つの点火コイル３ａ、３ｂに送る合計の点火信号の回数が多重点火回数Ｎignとなるように設定される。そして、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、着火判定を実施する。着火判定は、点火コイル３ａ、３ｂから点火プラグ２に流れる二次電流、または点火プラグ２に付加される二次電圧で判定する。図４に示すように、点火プラグ２に高電圧の二次電圧が付加され、点火プラグ２の電極間で火花放電すると、三角波状に二次電流が流れるが、その際に筒内で着火、すなわち混合気が燃焼すると電極間に燃焼によって生じたイオンが発生する。このイオンの発生、運動により二次電流が一時的に変動する。また、これに伴い、二次電圧も急激に変動する。したがって、二次電流または二次電圧を監視して、その変動に基づき着火の有無を判定する。そして、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、Ｓ５０において着火有りと判定したときの点火回数を、そのときの運転点（目標トルクＴobj及びエンジン回転速度Ｎｅ）と関連付けて点火回数Ｍignとして記憶装置に記憶する。なお。運転点は、エンジンの目標トルクＴobj及びエンジン回転速度Ｎｅに基づく運転領域を適宜分割した範囲で設定すればよい。そして、ステップＳ７０に進む。

ステップＳ７０では、ステップＳ６０で記憶した点火回数Ｍignが、ステップＳ２０で求めた多重点火回数Ｎign未満であることが、所定連続回数ｎ回連続したか否かを判別する。所定連続回数ｎは、例えば数回であって、エンジンの運転変動や誤差を考慮して適宜な回数に設定される。点火回数Ｍignが多重点火回数Ｎign未満であることが所定連続回数ｎ回連続した場合には、ステップＳ８０に進む。点火回数Ｍignが多重点火回数Ｎign未満であることが所定連続回数ｎ回連続しない場合には、本ルーチンをリターンする。

ステップＳ８０では、ステップＳ７０において点火回数Ｍignが多重点火回数Ｎign未満であることを所定連続回数ｎ回連続したと判定した際の運転点における多重点火回数Ｎignを１回少なくして記憶装置に書き換える。即ち、図３に示すようなマップにおいて、破線より内側の多重点火の領域での多重点火回数Ｎignを書き換える。なお、本ステップは、本発明の学習制御部１６における制御に該当する。そして、本ルーチンを終了する。

ステップＳ９０では、１回点火を実施する。１回点火は、１回のサイクルで１回（所定回数）の点火を行なう固定点火である。そして、ステップＳ１００に進む。
ステップＳ１００では、ステップＳ９０において１回点火を行なった気筒の着火判定を未実施とする。そして、本ルーチンを終了する。
以上のように、本発明の第１の実施形態に係るエンジンは、１回のサイクルでの点火回数を複数回行なう多重点火システムを備えている。更に、この点火回数である多重点火回数Ｎignを２回〜５回に切換えることが可能となっており、１回のみ点火することも可能となっている。多重点火回数Ｎignは、エンジン回転速度Ｎe及び目標トルクＴobjといったエンジン運転点に基づいて設定される。更に、エンジンコントロールユニット１０は、多重点火を行なった際に着火判定を行ない、何回目の点火で着火したのかを判定する。

そして、エンジンコントロールユニット１０は、着火判定した点火回数Ｍignがエンジン運転点に基づいて設定される多重点火回数Ｎignより少ないことがｎ回連続した場合には、そのエンジン運転点における多重点火回数Ｎignを記憶しているＮignより１回少なくするようにマップを書き換える。したがって、エンジン運転点に基づいて設定される多重点火回数Ｎignよりも少ない回数で着火した場合に、多重点火回数Ｎignが１回ずつ少なく設定されていく。これにより、着火した後の点火が抑制されるようになり、点火プラグ２の電極の消耗が抑制される。よって本実施形態では、多重点火システムにより着火性能を確保しつつ、着火後の無駄な点火を抑制して点火プラグ２の保護を図ることができる。

特に、着火判定した点火回数Ｍignが、マップに記憶されている多重点火回数Ｎignと比較して少ない場合に、多重点火回数Ｎignを書き換える学習制御を行なうので、次回のサイクルからあらかじめ点火回数を少なく設定することができ、無駄な点火を更に抑制することができる。
次に、図５を用いて第２の実施形態の点火回数制御要領を説明する。以下、第１の実施形態の図２に示す制御と異なる箇所のみ説明する。

図５に示すように、第２の実施形態の点火回数制御は、ステップＳ６０からステップＳ１１０に進む。
ステップＳ１１０では、ステップＳ６０で記憶した点火回数Ｍignが１であることが所定連続回数ｍ回連続したか否かを判別する。所定連続回数ｍは、所定連続回数ｎと同様に例えば数回であって、エンジンの運転変動や誤差を考慮して適宜な回数に設定される。点火回数Ｍignが１であることが所定連続回数ｍ回連続した場合には、ステップＳ１２０に進む。点火回数Ｍignが１であることが所定連続回数ｍ回連続しない場合には、本ルーチンをリターンする。

ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０において点火回数Ｍignが１であることを所定連続回数ｍ回連続したと判定した際の運転点における多重点火回数Ｎignを１に書き換える。即ち、図３に示すようなマップにおいて、多重点火と１回点火との境界線である破線を書き換える。そして、本ルーチンを終了する。
以上のように本発明の第２の実施形態では、着火判定した点火回数Ｍignが１回であることがｍ回連続した場合には、そのエンジン運転点における多重点火回数Ｎignを１にマップを書き換える。したがって、本実施形態では、多重点火と１回点火を切換える領域を変化させる制御が行なわれ、１回点火により着火しているにも拘わらず多重点火を行なうような制御が抑制され、点火プラグ２の電極の消耗を抑制することができる。

更に、上記実施形態における着火判定により点火回数を抑制する点火回数制御については、筒内流動が所定以上となるような領域（所定の運転領域）でのみ行なうとよい。例えばリーンバーンや、ＥＧＲ導入機構を有しているエンジンにおいては、低回転低負荷時の燃費を向上すべく、混合気の空燃比（空気量に混合する燃料量の割合）を理論混合比よりも薄く設定したり、ＥＧＲを多く導入したりする制御が採用されており、この領域での燃焼性を向上すべく筒内流動が大きくなるものがある。このように空燃比が薄く、ＥＧＲが多い領域では混合気が着火し難く、さらに、筒内流動の大きい領域では、点火プラグ２の電極間の火花が流れて点火し難い状態であるので、確実に着火すべく、多重点火回数Ｎignがあらかじめ多くの回数にマップに設定されている。したがって、点火回数が多く設定されている領域において、本実施形態のように着火判定による点火回数の抑制制御を行なうことで、着火を確保しつつ多重点火回数Ｎignを効果的に低減させることができる。

また、以上の実施形態では、図３に示すように、高回転または高負荷領域で１回点火に設定されている。このように高回転または高負荷領域では、混合気の空燃比が理論混合比あるいは理論混合比よりも濃く、またはＥＧＲが少なく導入されている制御が採用されており、筒内の電極近辺が高温状態でもあるので、着火し易い状態である。このように着火し易い高温領域では、１回点火に固定することで、着火判定及び点火回数制御を行なわず、制御負荷を軽減させることができる。以上の実施例では、多重点火回数Ｎignを２回〜５回に設定したが、５回を超えて設定しても良い。

また、着火判定して求めた点火回数Ｍignについて、多重点火回数Ｎign未満であることがｎ回、または１回であることがｍ回連続した場合には、点火回数を減少させる学習制御を行なうので、エンジンの運転変動や誤差によって過度に点火回数を減少させることを抑え、点火回数の減少による着火性能の低下を抑制することができる。
多重点火回数Ｎignについては、着火判定して設定された多重点火回数Ｎignにそのまま設定するのではなく、数回（所定回）多く設定するとよい。これにより着火を確実に行なうことができ、エンジンの出力性能を確保することができる。

なお、上記第１の実施形態及び第２の実施形態については、いずれか一方を行なうだけもよいが、両方を行うようにすると更に無駄な点火を抑制することができる。また、以上の実施例では着火判定して求めた点火回数Ｍignが、多重点火回数Ｎign未満であることが所定回数連続した場合に、点火回数を減少させる学習制御のみを行っているが、多重点火回数Ｎignの間に着火判定されなかった場合（失火した場合）には次サイクルから点火回数を増やす制御を行うとなお良い。また、１回点火の実施領域においても着火判定を行って、着火判定されなかった場合（失火した場合）には次サイクルから多重点火を行う制御としても良い。

また、本発明は上記実施形態に限定するものではない。例えば、多重点火回数Ｎignを設定するマップについてはエンジンの構造、形式等によって適宜変更すればよく、例えば、エンジン回転数と空燃比や、ＥＧＲ導入割合に応じて設定しても良い。多重点火回数Ｎignについては、学習制御せずに着火判定後の後の着火を規制するだけでもよい。
また、以上の実施形態では、エンジン運転点に基づいて設定される多重点火回数Ｎignを、着火判定した点火回数Ｍignに基づいて書き換えることで、次回のサイクルから点火回数を抑制することができるが、着火判定した当該サイクルでの以降の点火を抑制してもよい。詳しくは、着火判定した点火回数Ｍignの次（Ｍign回数の点火実施時に、Ｍign＋1回目の点火準備を行っているため）まで点火を行い、当該サイクルでの点火を終了するよう制御すればよい。このように制御することで、着火後の点火を抑制して、点火プラグ２の電極の消耗を抑制することができる。

本発明は、多重点火システムを搭載したエンジンのように、１回のサイクルで複数回点火可能な内燃機関に対して広く適用することができる。

１ 点火装置
２ 点火プラグ（点火器）
１０ エンジンコントロールユニット
１３ 点火回数設定部
１４ 着火判定部
１５ 点火制御部
１６ 学習制御部

Claims (5)

1. １回のサイクルにおいて１つの点火プラグで複数回点火する多重点火システムを備えた内燃機関に備えられ、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて１回のサイクルにおける点火回数を設定する点火回数設定部と、
   前記内燃機関の筒内での着火を判定する着火判定部と、
   前記着火判定部により着火判定した際の前記点火回数に基づいて、以降の点火回数を抑制する点火制御部と、
   を有し、
   前記点火回数設定部は、前記内燃機関の運転状態に基づいて、１回のサイクルにおける点火回数を前記着火判定に基づいて抑制する多重点火と、前記着火判定を行なわず所定回数に固定する固定点火に切換えることを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 前記点火制御部は、前記内燃機関の筒内流動が所定以上となる所定の運転領域において、前記着火判定した際の前記点火回数の抑制を実行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 前記点火回数設定部は、前記筒内が所定の高温領域となる運転状態では、前記点火回数を前記所定回数に固定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の点火装置。
4. 前記点火制御部は、前記着火判定して所定回多く点火してから前記点火を抑制することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置。
5. 前記着火判定部において前記着火判定した際の点火回数を、次回以降のサイクルにおいて前記点火回数設定部において設定する前記点火回数に反映させる学習制御を実行する学習制御部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置。

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