JP7080292B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本願は、内燃機関の制御装置に関するものである。

近年問題提起されている地球温暖化への対応として、世界規模で温室効果ガス削減の取り組みが始まっている。自動車業界においてもこの対応が必要となっており、内燃機関の効率を改善するための開発が進められている。

この中に、点火プラグの先端にオリフィスを有する副燃焼室を設けた内燃機関がある。副燃焼室内で混合気に着火し、燃焼ガスをオリフィスから主燃焼室へ噴出させる。この噴出した燃焼ガスで主燃焼室内の混合気に着火する内燃機関であり、副室式内燃機関と呼ばれる（例えば特許文献１）。この方式では、主燃焼室内の混合気に対し急速に多点点火することができるので、希薄混合気であっても燃焼期間を短縮することができ、安定した運転をすることができる。よって、熱効率を大きく向上させることができ、温室効果ガスの排出量を大幅に削減できる方式として注目されている。

特開２０１７－１０３１７９号公報

副室式内燃機関では、副燃焼室はオリフィスを介して主燃焼室に接続されるため掃気性に問題がある。このため、低負荷では副燃焼室内に燃焼により生じた既燃ガスが滞留しやすい。内燃機関が冷えた、冷機状態での燃焼では、未燃燃料の液滴などにより煤を発生し易い。このため、副燃焼室内の点火プラグに煤が堆積して点火プラグの電極間の絶縁状態が低下するくすぶり状態となる場合がある。煤の堆積が進行すると、失火を引き起こしてしまう点が問題となる。失火が発生すると、未燃焼ガスが大気に放出されてしまい、環境汚染の原因となる。また、未燃焼ガスが排気管、触媒、マフラーにおいて燃焼した場合、排気ガスセンサ、触媒の劣化、故障の原因ともなる。

上記の問題を解決するために例えば特許文献１に示すように、点火プラグ電極部、副燃焼室内、オリフィスなどの形状と位置関係を工夫し、精密に配置することなどが検討されている。しかし、様々な内燃機関形状、広範囲の運転条件、点火プラグ電極へのカーボンの付着、堆積、電極の劣化、消耗など、点火プラグと副燃焼室内を取り巻く環境は変化する。このため、機械構造の面だけでの対応は困難である。内燃機関の副燃焼室内の状態に応じて内燃機関を適切に制御することが必要となる。しかしながら、副燃焼室内のくすぶり状態を低コストでリアルタイムに診断できる方法がなかった。

本願は、副室式内燃機関における副燃焼室内のくすぶり状態を低コストでリアルタイムに診断し、火花放電を確実に発生できる適切な処置を実施できる内燃機関の制御装置を提供することを目的としたものである。

本願に係る内燃機関の制御装置は、
主燃焼室と、
主燃焼室との間に設けられたオリフィスから噴出される燃焼ガスによって主燃焼室内の混合気に着火する副燃焼室と、を備えた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
主燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射器と、
副燃焼室に配置され、高電圧が印加される電極と基準側電極との間に火花放電を発生させて混合気を燃焼させる点火プラグと、
点火プラグに高電圧を供給する点火コイルと、
燃料噴射器と点火コイルを制御する制御部と、
副燃焼室に配置された検出プローブと、
検出プローブによって、点火プラグに煤が堆積して生じるくすぶりの状態に応じて点火プラグの周りを流れる電流値を検出し、検出された電流値を示すくすぶり検出信号を出力するくすぶり検出部と、
くすぶり検出部によって出力されたくすぶり検出信号に応じて、副燃焼室内のくすぶり状態を診断する、くすぶり診断部と、を備え、
くすぶり診断部は、内燃機関の始動後かつオフアイドル運転中に、圧縮行程の上死点前クランク角度９０度から６０度までの期間にくすぶり検出信号が予め定められた比較値よりも大きくなった場合にくすぶりが発生していると診断し、制御部に点火コイルの出力エネルギを通常よりも増加させる点火出力増加制御、および副燃焼室の空気過剰率を予め定めた範囲内とする燃料噴射器の燃料供給規制制御の少なくとも一方を実行させることを特徴とするものである。

本願に係る、内燃機関の制御装置は、副室式内燃機関において、副燃焼室内のくすぶり状態を低コストでリアルタイムに診断し、火花放電を確実に発生できるように、適切な処置を実施できるようになるので、副室式内燃機関を安定して運転することができ、熱効率を大きく向上するとともに信頼性を向上することができる。

実施の形態１に係る内燃機関の第一の構成図である。 実施の形態１に係る制御部のハードウェア構成図である。 実施の形態１に係る内燃機関の第二の構成図である。 実施の形態１に係るくすぶり検出信号を示す第一のタイムチャートである。 実施の形態１に係るくすぶり検出信号を示す第二のタイムチャートである。 実施の形態１に係るくすぶり検出部の回路構成図である。 実施の形態２に係るくすぶり検出部の回路構成図である。 実施の形態２に係るくすぶり検出信号を示す第一のタイムチャートである。 実施の形態２に係るくすぶり検出信号を示す第二のタイムチャートである。

以下、本願に係る内燃機関１００の制御装置１について、図面を参照して説明する。

１．実施の形態１
＜内燃機関の第一の構成＞
図１は、実施の形態１に係る内燃機関１００の第一の構成図であり、簡略化した概念図である。内燃機関１００は、主燃焼室１０７、副燃焼室１０２、主燃焼室１０７と副燃焼室１０２を連通するオリフィス１０１を備えている。内燃機関１００の制御装置１（以後、単に制御装置１と称する）は、制御部１０８、燃料噴射器１０９、点火コイル１０４、点火プラグ１０３、くすぶり診断部１０６、くすぶり検出部１０５、検出プローブ１１０を備えている。

副燃焼室１０２には、点火プラグ１０３が配置されている。点火プラグ１０３は、高電圧を伝える中心電極を有し、高電圧の印加に応じて中心電極とＧＮＤ電極（基準側電極とも言う）との間に火花放電を形成する。点火プラグ１０３には、高電圧を供給する点火コイル１０４が接続されている。主燃焼室には、燃料を噴射する燃料噴射器１０９が備えられている。

制御部１０８は、点火コイル１０４と燃料噴射器１０９を制御する。制御部１０８は、点火コイルの通電および遮断タイミングを制御して、副燃焼室内の点火プラグ１０３に生じる火花放電の時期と放出するエネルギの大きさを制御する。制御部１０８は、燃料噴射器１０９を制御し、主燃焼室への燃料供給量と燃料供給時期を制御する。

主燃焼室１０７は、吸気管につながる吸気ポート、排気管につながる排気ポート、クランクシャフトに繋がるロッドに接続され出力を生じる可動式のピストンを備えているが、図１では記載は省略されている。主燃焼室１０７に配置された燃料噴射器１０９から噴射された燃料が空気と混合された混合気が、副燃焼室１０２に供給される。副燃焼室内の混合気は、点火プラグの火花放電によって着火される。副燃焼室１０２内で火炎が成長し、副燃焼室内の圧力が上昇する。そして、高温の燃焼ガスがオリフィスから主燃焼室へ吹き出し、主燃焼室の混合気に着火する。このため、主燃焼室の混合気の着火が容易となり、希薄混合気の安定した燃焼が可能となる。希薄燃焼領域の拡大により内燃機関１００の熱効率の向上に寄与することができる。

副燃焼室１０２には、他に検出プローブ１１０が配置される。くすぶり検出部１０５は、検出プローブ１１０を介し、副燃焼室１０２内のくすぶり状態を検出し、くすぶりの状態に応じたくすぶり検出信号を出力する。くすぶり診断部１０６は、くすぶり検出信号に応じて、副燃焼室内のくすぶり状態を診断する。

くすぶり診断部１０６の診断結果は、制御部１０８に入力される。制御部１０８は、くすぶり診断部１０６の診断結果に応じて、火花放電を確実に発生できるように内燃機関を制御する。制御部１０８は内燃機関が安定して運転を継続できるように、点火コイル１０４、燃料噴射器１０９の少なくとも一方を操作する。

主燃焼室１０７へ燃焼ガスを噴出するために副燃焼室１０２に設けられるオリフィス１０１は複数在っても良く、３から８箇所程度設ける場合が多い。副室式内燃機関には、副燃焼室１０２に燃料噴射器を配置し、副燃焼室内に直接燃料を噴射するアクティブ式と呼ばれるものが存在する。また、副燃焼室１０２に燃料噴射器を配置せず、主燃焼室１０７に噴射された燃料を空気とともに、主燃焼室１０７と副燃焼室１０２の間の圧力差で副燃焼室内に導入するパッシブ式と呼ばれるものがある。本願に於いてはどちらの場合でも適用できる。また、副燃焼室１０２に加え、主燃焼室１０７にも点火プラグを配置するものがあるが、本願に於いては、主燃焼室１０７に点火プラグが配置されていても構わない。また、図１では燃料噴射器１０９を、主燃焼室に配置する例を示したが、吸気管内、または吸気ポートに備えてもよい。

＜制御部のハードウェア構成＞
図２は、制御部１０８のハードウェア構成図である。図２のハードウェア構成は、制御部１０８、くすぶり診断部１０６に適用できるが、以下では代表して制御部１０８について説明する。本実施の形態では、制御部１０８は、内燃機関１００を制御する制御部である。制御部１０８の各機能は、制御部１０８が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御部１０８は、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、同じ種類のものまた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）、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、くすぶり診断部１０６の出力信号を含む各種のセンサ、スイッチ、および通信線が接続され、これらセンサ、スイッチの出力信号と通信情報を演算処理装置９０に入力するＡ／Ｄ変換器、通信回路等を備えている。出力回路９３は、燃料噴射器１０９、点火コイル１０４を含む駆動装置に演算処理装置９０からの制御信号を出力する駆動回路等を備えている。

制御部１０８が備える各機能は、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等の制御部１０８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、制御部１０８が用いる閾値、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。制御部１０８の有する各機能は、それぞれソフトウェアのモジュールで構成されるものであってもよいが、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせによって構成されるものであってもよい。

以上、制御部１０８について述べたが、上記の説明はくすぶり診断部１０６についても適用できる。くすぶり診断部１０６は、くすぶり検出部１０５のくすぶり検出信号を入力し、入力情報を演算処理装置９０で処理し、診断結果を制御部１０８に出力している。

＜くすぶり＞
内燃機関１００において、くすぶりとは点火プラグへ煤が堆積して生じる点火プラグの電極間の絶縁状態が低下する状態を言う。堆積した煤をカーボンデポジットと称する。カーボンデポジットは、点火プラグ近傍の空燃比がリッチでかつ点火プラグ温度が低いときに、不完全燃焼で発生したカーボン（煤）が点火プラグに堆積して発生する。

点火プラグへのカーボンデポジットの堆積が進行すると、点火プラグの中心電極とＧＮＤ電極間の絶縁抵抗値が大幅に低下する。このため、火花放電用のエネルギがリークして、火花放電を形成できない、もしくは十分な火花放電を形成できずに失火が起こる。

頻繁に失火が起こるようになると、排気系へ未燃混合気が排出されて排気管内で燃焼することによって排気系の温度が上昇する。これにより、排気ガスセンサ、触媒の劣化の怖れがあり、ひどい場合には触媒が溶損するおそれがある。

＜内燃機関の第二の構成＞
図３、図４、図５、図６を用い、内燃機関１００の第二の構成とくすぶり診断の具体的な動作について説明する。

図３は実施の形態１に係る内燃機関１００の第二の構成図である。図１と異なるのは、くすぶり検出のための検出プローブ１１０を、点火プラグ１０３が兼ねた部分である。そして、くすぶり検出部１０５を点火コイル１０４ａの内部に組み込み、くすぶり診断部１０６を制御部１０８ａの内部に組み込んでいる。このような構成とすることで、非常に小型、低コスト、かつ簡便なシステム構成でくすぶり検出機能を有する制御装置１を実現することができる。しかし、このような部品の共用化は、本願のくすぶり検出と診断の本質的問題ではなく、くすぶり診断部１０６と制御部１０８ａの分離、点火コイル１０４ａとくすぶり検出部１０５の分離、検出プローブ１１０と点火プラグ１０３の分離をしてもよい。すなわち、図１の構成を維持して以下のくすぶり診断を実施することが可能である。

図３では、副燃焼室１０２内の燃料に着火するための火花放電を、点火プラグ１０３の中心電極１０３ａ、ＧＮＤ電極１０３ｂ（基準側電極）の間に形成する。制御部１０８ａは、点火コイル１０４ａへ指示を出す。ここで、制御部１０８ａは、図２に示したハードウェアの構成が適用される。

点火コイル１０４ａの基本機能は、一般的に図６の点火コイル基本機能部１０４ｂに示される。図６は、実施の形態１に係るくすぶり検出部１０５の回路構成図である。図６の点火コイル基本機能部１０４ｂは、一次コイル５０１、２次コイル５０２、スイッチ５０３で構成される。点火コイル１０４ａは、制御部１０８ａの指示に応じてスイッチ５０３をＯＮにして一次コイル５０１へ通電する。そして、制御部１０８ａの指示に応じてスイッチ５０３をＯＦＦにして一次コイル５０１への通電を遮断する。

この時、２次コイル５０２に、例えば５０ｋＶ程度以下の高電圧を発生させることとなる。この高電圧を点火プラグ１０３の中心電極１０３ａへ供給し、中心電極１０３ａとＧＮＤ電極１０３ｂとの間の電圧が、絶縁破壊電圧以上となる。そうすると、中心電極１０３ａとＧＮＤ電極１０３ｂとの間に火花放電が形成される。さらに、放電維持電圧以上の高電圧を点火プラグ１０３の中心電極１０３ａへ供給し続けることで継続的に火花放電を形成することができる。この火花放電により副燃焼室１０２内の燃料に着火することができる。

くすぶり検出部１０５は、この火花放電用の高電圧とは別に、くすぶりを検出するための電圧、例えば２０Ｖから２００Ｖ程度の電圧を発生させる。くすぶり検出部１０５は、バッテリ電圧から昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータを介して高電圧を生成することもできる。一般的な直流安定化電源を利用して、くすぶり検出用の電圧を作っても良い。しかし、本実施例に於いては、システムコストの低減、小型化、簡素化するために、図３、図６に示すように、点火コイル１０４ａの内部に、電源装置５０４を備えたくすぶり検出部１０５を配置した。またこの時、点火プラグ１０３は、検出プローブ１１０の機能を合わせて持つものとして扱うこととした。

電源装置５０４は、点火コイル１０４ａが火花放電用の高電圧を生成する動作中に、コンデンサ５０１ａに充電する。そして、火花放電終了後にコンデンサ５０１ａに蓄積した電圧を、検出プローブ１１０を兼ねる点火プラグ１０３の中心電極１０３ａに印加する。このような構成とすることで、小型、低コスト、かつ単純なシステム構成でくすぶり検出装置を実現することができる。

一方で、点火コイル内に搭載するといった点で、コンデンサ５０１ａの電気容量に制約があり、中心電極１０３ａへ電圧を印加中に、コンデンサ５０１ａに蓄積された電圧値が徐々に低下してしまうことがある。このような場合には、くすぶり状態を検出する期間の直前にスイッチ５０３をオンオフして、点火コイルの通電、遮断動作を実施し、コンデンサ５０１ａを充電すると良い。内燃機関１００の運転に支障のない期間であれば火花放電を伴ってコンデンサ５０１ａを充電しても良い。しかし、実際に火花放電が発生すると点火プラグの電極消耗などを伴う。よって、スイッチ５０３のオン期間を短くしてオンオフさせ、絶縁破壊しない程度に点火コイル１０４ａを動作させて、電源装置５０４を充電することが望ましい。

副燃焼室１０２内にくすぶりが生じ、点火プラグ１０３にもくすぶりが波及している状態を考える。その状態であれば、点火プラグ１０３の中心電極１０３ａに電圧を印加することにより、くすぶり状態に応じて電流が流れ、くすぶり検出部１０５は、例えば、図４に示すようなくすぶり検出信号３０１を出力する。図４は、実施の形態１に係るくすぶり検出信号を示す第一のタイムチャートであり、くすぶりが発生している状態を示す。図４の横軸はクランク角度で、４サイクル内燃機関１００の各行程の進行を示す。横軸の数字は、圧縮行程の上死点ＴＤＣを０度（０ｄｅｇ）として、プラス、マイナス３６０度のクランク角度で示している。ＡＴＤＣは上死点後の意味でありｄｅｇは度を示す。縦軸はくすぶり検出信号の大きさを電流値で示す。

くすぶりが発生していない、正常な燃焼状態でのくすぶり検出信号は、図５のくすぶり検出信号４０１に示す。図５は、実施の形態１に係るくすぶり検出信号を示す第二のタイムチャートであり、くすぶりが発生していない状況を示す。横軸、縦軸の定義は図４と同じである。くすぶり検出信号４０１は、燃焼等の発生していない区間では、ほぼＧＮＤ(基準電位）と同等レベルの信号となる。

点火コイル１０４ａとくすぶり検出部１０５を分離して設けた場合、点火プラグ１０３と検出プローブ１１０を分離して設けた場合も同様である。その場合でも、図４および図５に示すようなくすぶり検出信号を得ることができ、以降同様の処置でくすぶり状態を診断することができる。

くすぶり診断部１０６は、マイクロコンピュータを搭載する独立したユニットとしても良い。しかし、マイクロコンピュータ内のソフトウェアとして構成することができる。近年、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）である制御部１０８ａは、マイクロコンピュータを搭載して構成されることが一般的であるため、制御部１０８ａ内のマイクロコンピュータに、くすぶり診断部１０６をソフトウェアとして構成することができる。これによって、システムコスト低減と、システムの簡素化を図ることができる。

＜くすぶり診断＞
くすぶり診断部１０６が、くすぶりを診断する手順について説明する。

実施の形態１に於いて、くすぶり診断は、内燃機関１００の始動直後から内燃機関１００停止まで、常に実施するものとする。しかし、マイクロコンピュータの計算負荷を抑制するため、あらかじめ指示する特定の運転条件でのみ診断を実施しても良い。例えば、内燃機関１００の回転数が２０００［ｒｅｖ／ｍｉｎ］以下かつ、スロットル開度が２０％以下かつ、水温が８０℃未満を全て満たす、もしくは少なくとも１つ満たす条件で診断を実施する。これ以外では診断を実施しないこととしても良い。この条件は、くすぶりが発生しやすい内燃機関１００の運転条件である。

図４の、くすぶり検出信号３０１はＡ／Ｄ変換器を通してマイクロコンピュータ内に取り込まれる。例えば、クランク角度１ｄｅｇＣＡ（クランク角１度）毎に１０ｂｉｔの分解能でマイクロコンピュータ内に取り込む。

くすぶり診断部１０６は、くすぶりを診断するための診断区間を設定する。検出プローブ１１０、もしくは、点火プラグ１０３に電圧を印加してくすぶり状態を検出する方法では、くすぶり検出信号３０１はくすぶりの有無によらず、燃焼に応じて発生するイオンの影響を受けて、図４のイオンノイズ部３０２のような信号を発生する場合がある。このため、診断区間としては、副燃焼室１０２内、もしくは主燃焼室１０７内で、燃焼が発生しない区間、例えば、－３６０［ｄｅｇＡＴＤＣ］から－５０［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、もしくは、８０［ｄｅｇＡＴＤＣ］から３６０［ｄｅｇＡＴＤＣ］までの間から診断区間を設定する。

くすぶり診断区間は、－３６０［ｄｅｇＡＴＤＣ］から－５０［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、及び、８０［ｄｅｇＡＴＤＣ］から３６０［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、のように広範囲に設定しても良い。もしくは、－３５０［ｄｅｇＡＴＤＣ］から－３００［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、及び、－１００［ｄｅｇＡＴＤＣ］から－５０［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、及び、１００［ｄｅｇＡＴＤＣ］から１５０［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、のように、細かく複数の区間を設定しても良い。また点火コイル１０４ａが一次コイルへ通電を開始するために制御部１０８ａが点火コイル１０４ａへ指示を出すタイミング前の３［ｍｓ］区間のように設定しても良い。

診断区間を運転条件ごとに設定しても良い。内燃機関１００回転数、内燃機関１００負荷、冷却水温などのテーブル値、マップ値として診断区間を設定しても良い。例えば、水温が８０℃未満の始動状態と判断するモードは、一番くすぶりの影響を受けやすいので、くすぶり診断区間を、－３６０［ｄｅｇＡＴＤＣ］から－５０［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、及び、８０［ｄｅｇＡＴＤＣ］から３６０［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、のように広範囲に設定することができる。

始動モードを抜けたアイドリング状態でも、まだ、くすぶりの影響を受けやすいので、－３５０［ｄｅｇＡＴＤＣ］から－３００［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、及び、－１００［ｄｅｇＡＴＤＣ］から－５０［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、及び、１００［ｄｅｇＡＴＤＣ］から１５０［ｄｅｇＡＴＤＣ］まで、のように、一つの診断区間を短くしてマイクロコンピュータの計算負荷を落としつつも、複数の区間を設定して、広範囲に配慮するように設定することができる。

これ以外の運転時は、くすぶりの影響は少ないが、くすぶりの前兆をいち早く捉えるため、制御部１０８ａが点火コイル１０４ａへ指示を出すタイミングの前３［ｍｓ］区間を常時モニタし、診断しておく、と設定しても良い。

実施の形態１では、簡便、かつ効率良く診断できる診断区間として、図４に示すように、－９０［ｄｅｇＡＴＤＣ］から－６０［ｄｅｇＡＴＤＣ］までの区間を、くすぶりの診断区間３０３として設定した。

くすぶり診断部１０６は比較電流３０４を設定し、診断区間３０３内のくすぶり検出信号３０１が比較電流３０４を超えるレベルで発生していれば、副燃焼室１０２内にくすぶりが発生していると診断する。

くすぶりの強さは電気抵抗値として表すことができる。くすぶりが強くなるほど、くすぶりにより形成される部位の電気抵抗値は下がることが一般的に知られている。例えば、電源装置５０４がくすぶり検出用として作る電圧が１００［Ｖ］であったとして、１［ＭΩ］のくすぶり状態くすぶりレベルであると、１００［μＡ］の電流信号がくすぶり検出信号として発生する。

くすぶりレベル１０［ＭΩ］程度以上をくすぶり状態であると診断したい場合、くすぶり診断部１０６は、比較電流を１０［μＡ］と設定し、診断区間３０３内で、くすぶり検出信号３０１の平均的な値、平均レベルが１０［μＡ］以上となれば、副燃焼室１０２内はくすぶり状態であると診断し、例えば、診断結果レベルを１にする。くすぶりが発生していないと診断すれば、診断結果レベルを０にする。

信号の平均レベルを得る手法としては、メディアンフィルタ、移動平均などでも良いし、区間内信号の積分値を区間で割ることで得る、いわゆる平均値でも良い。もちろん、区間で割らずに、積分値に対し、閾値を、区間を乗じた相当の値に変換して求めることができる。

もしくは、検出区間内のくすぶり検出信号の平均レベルに応じて、くすぶりレベルを段階的に診断しても良い。例えば、平均レベルが１０［μＡ］未満であれば診断結果レベルを０とし、平均レベルが１０［μＡ］以上、２０［μＡ］未満なら診断結果レベルを１とし、２０［μＡ］以上、５０［μＡ］未満なら診断結果レベルを２とし、５０［μＡ］以上、１００［μＡ］未満なら診断結果レベルを３とし、１００［μＡ］以上なら診断結果レベルを４とする、といった多段階に出力することもできる。あるいは、数式によって導く無段階の連続的な数値として出力しても良い。

制御部１０８ａは、診断結果レベルを読み込んで、診断結果レベルが１で、「くすぶりが発生していると診断された」になれば、くすぶっている状態であっても火花放電を確実に発生できるように、点火コイル１０４ａの出力エネルギを増加させる方向へ制御する。例えば、図６の点火コイル基本機能部１０４ｂに示されるような点火コイルであれば、一次コイル５０１の通電時間を長くする方へ制御する。

くすぶりが原因で発生する失火の多くは、くすぶりにより形成される導電経路から点火コイル１０４ａが作った火花放電用のエネルギがリークしてしまい、火花放電を形成できない、もしくは、火花放電を一瞬形成できても、これ以降に、燃料に着火するために必要なエネルギをもった火花放電を形成できなくなってしまうことにある。

火花放電を発生させるための電流を大きくすることで、電流がくすぶり抵抗経路を通ろうとする過程で大きな電圧を発生させることができる。この電圧が、絶縁破壊電圧を超えれば、火花放電を発生できる。また、火花放電を形成した後、くすぶり経路にもエネルギが逃げるので、くすぶりが発生している状態で、安定して燃料に着火するためには、くすぶりが発生していない正常状態で要求される点火コイル性能に対し、より大きな電流、より大きなエネルギを発生できる点火コイル１０４ａが必要となる。

しかし、くすぶりが発生していない正常な状態で、着火に必要な電流、エネルギを超えて、過剰な電流、過剰なエネルギで火花放電を打ち続けると、点火プラグの電極消耗が促進され、また、火花放電により、より多くのＮＯｘが生成されるようになる。特に、実施の形態１に係る副室式内燃機関のように、リーン運転を多用する自動車用内燃機関１００に於いては、三元触媒が機能しない運転状態となるため、ＮＯｘの発生量が問題となる。

従って、くすぶりが発生していない、正常な状態では、点火コイル１０４ａの出力を抑えて、必要最小限の出力で使用し、くすぶりが発生していると診断されれば、必要なだけ出力を上げることができる、点火コイル１０４ａとする必要がある。

図６の点火コイル基本機能部１０４ｂに示すような一般的な点火コイルである場合を例に詳細を説明する。実際に起こり得る最大のくすぶりレベルとして０．３［ＭΩ］の状態でも、確実に火花放電を発生できる電圧として３０［ｋＶ］を想定する。

くすぶり経路にエネルギが流れ込む前段で３０［ｋＶ］を発生させるために、点火コイルは１００［ｍＡ］の電流値を出力している必要がある。くすぶりが発生し得る状態で想定される点火経路の浮遊電気容量の最大値を３０［ｐＦ］と想定すると、これを３０［ｋＶ］まで充電するには、約１４［ｍＪ］のエネルギが必要となる。従って、点火コイルには、１４［ｍＪ］のエネルギを消費した時点で１００［ｍＡ］を出力できる能力が要求される。さらに、絶縁破壊後の火花放電維持期間中にリーク経路から流出するエネルギも加味する必要がある。

くすぶりのない状態で、安定して運転するために９０［ｍＪ］の点火コイル性能を必要とする内燃機関１００において、前記を加味すると、くすぶり状態で安定して内燃機関１００を運転させるために必要な点火コイルの能力は、出力電流の最大値が約１０５［ｍＡ］以上、出力エネルギが９５［ｍＪ］以上となる。

くすぶり診断部１０６の出力が２値である場合、例えば、前記想定から、出力電流の最大値が１０５［ｍＡ］以上の点火コイルに於いて、くすぶりが発生している状態診断結果レベルが１では、制御部１０８ａは、点火コイル１０４ａの出力が１００％になるように指示する。くすぶりのない状態診断結果レベルが０では、制御部１０８ａは、点火コイル１０４ａの出力が９５％以下になるように指示する。くすぶりを検出していない状態では、くすぶりが発生しないことが前提にあるので、制御部１０８ａは、点火コイル１０４ａの出力が９５％以下になるように指示する。

くすぶり診断部１０６の出力が複数のレベル値を持っており、多段階である場合、制御部１０８ａは、例えば、診断結果レベルが０のときは、点火コイルの出力が９５％、診断結果レベルが１のときは点火コイルの出力が９６％、診断結果レベルが２のときは点火コイルの出力が９７％、診断結果レベルが３のときは点火コイルの出力が９８％、診断結果レベルが４のときは点火コイルの出力が１００％になるように指示しても良い。

また、制御部１０８ａはくすぶりが発生しているとの診断結果を受けて、例えば前記診断結果レベルが１よりも大きい場合、副燃焼室内の空気過剰率λが０．９から１．０程度となるように、主燃焼室１０７もしくは副燃焼室１０２に供給する燃料の噴射量、噴射タイミングを調整する。例えば、空気過剰率λが２．０程度のリーン運転している状態であれば、弱い火花放電でも安定した着火、燃焼を得られるように、燃料噴射量を増量する。λが０．８程度のリッチ運転状態であれば、燃料噴射量を減らして、くすぶりの発生を抑制することができる。このとき、燃焼室の空気充填量を多くするなど、内燃機関１００の出力トルクの変動量が小さくなるようにスロットルを合わせて調整しても良い。また、主燃焼室１０７で燃料噴射器１０９の噴射タイミングを変更すると、副燃焼室１０２に入る混合気の空気過剰率を替えることができる場合がある。主燃焼室１０７と副燃焼室１０２全体での空気過剰率はかわらないが、噴射タイミングがかわることで、副燃焼室１０２へ入る混合気の空気過剰率が変化する。

従って、本実施の形態１によれば、副燃焼室内のくすぶり状態を診断し、適切な処置を実施できるようになるので、熱効率を大きく向上させることができる副室式内燃機関を安定して運転できるようになり、温室効果ガスの排出量を大幅に削減し、環境の保全に役立てることができる。また、内燃機関１００の信頼性の向上にも寄与する。

２．実施の形態２
実施の形態１は、点火プラグに、火花放電用の高電圧とは別にくすぶり検出用の電圧を印加してくすぶりを検出する方法としたが、図７に示すような装置を用いて、火花放電を形成する際の電圧のプロファイルから、くすぶりの有無を診断することができる。図７は実施の形態２に係るくすぶり検出部１０５ａの回路構成図である。くすぶり検出部１０５ａは、点火コイル１０４ｃに内蔵されている。以下、くすぶり診断の手順を、図７、図８、図９を用いて説明する。

実施の形態２に於いて、図７の検出点６０１に発生する電圧をくすぶり検出信号とすることができる。図７に示すように、点火コイル１０４ｃの１次側に、くすぶり検出部１０５ａを構成することができる。しかし、くすぶり検出部１０５ａを直接くすぶり診断部１０６へ取り込むこともできる。もしくは、抵抗分圧など簡単な回路でくすぶり検出信号を取り出すことも可能である。あるいは、特殊なデバイスが必要となるが、図７のくすぶり検出部１０５ａの回路を点火コイルの２次側、例えば検出点６０２に接続しても同様のくすぶり検出信号の検出が実施できる。

くすぶり検出信号は、実施の形態１と同様に、Ａ／Ｄ変換装置を介して、制御部１０８ａ内のマイクロコンピュータ内に、ソフトウェアとして構成されるくすぶり診断部１０６へ取り込まれる。

くすぶりが発生しているときのくすぶり検出信号は図８のくすぶり検出信号７０１のようになる。図８は、実施の形態２に係るくすぶり検出信号を示す第一のタイムチャートである。図８の縦軸は電圧を示す。図８の横軸は時間を示すが、クランク角度で示すこともできる。くすぶりが発生していないときのくすぶり検出信号は図９のくすぶり検出信号８０１のようになる。図９は、実施の形態２に係るくすぶり検出信号を示す第二のタイムチャートである。縦軸、横軸の定義は図８と同じである。くすぶり検出信号８０１には、図８のノイズ７０２に示すようなノイズ成分が重畳するので、誤診断しないように、くすぶり診断部１０６は、このノイズが発生する期間をマスクし、このマスク期間７０３内に発生するくすぶり検出信号を無視する。

図７の点火コイル１０４ｃの動作により、点火プラグ１０３の電極間の電圧は図８のくすぶり検出信号７０１もしくは図９のくすぶり検出信号８０１ように増加していく。実際の放電電圧は、ＧＮＤに対し負方向に増加する電圧を扱うことが多いが、本例では簡単のために絶対値として捉え、絶対値が大きくなる方向を増加と呼ぶことにする。くすぶり診断部１０６は、この電圧であるくすぶり検出信号７０１が所定の値になるまでの時間に応じてくすぶりの発生有無を診断する。

点火コイル１０４ｃの１次電流を遮断するタイミング、制御部１０８が点火コイル１０４ｃの動作を指示するための点火コイル制御線６０３の信号をＨｉｇｈからＬｏｗへ切替える指示を出すタイミングを基準時刻７０４とする。

くすぶり診断部１０６は、基準時刻７０４からマスク期間７０３を設定し、この間の信号の状態を無視する。マスク期間７０３は、例えば２［μｓｅｃ］程度である。

くすぶり診断部１０６は、くすぶり検出信号と比較するための比較電圧７０５を設定し、マスク期間７０３の終了後、くすぶり検出信号が、基準時刻７０４から、比較電圧７０５に達するまでの時間Ｔを計測する。比較電圧７０５は、例えば１０［ｋＶ］程度である。

また、くすぶり診断部１０６は、前記時間Ｔと比較するための比較時間７０７を設定する。例えば、比較時間は１０［μｓｅｃ］程度である。くすぶり診断部１０６は、時間Ｔが比較時間７０７よりも長いとき、副燃焼室１０２内にくすぶりが発生していると診断し、診断結果レベルを１にする。例えば、くすぶりが発生しているときのくすぶり検出信号７０１に対し、比較電圧７０５に達するまでの時間Ｔはくすぶり判断指標７０６となり、比較時間７０７よりも長くなるので、くすぶりが発生していると診断できる。

時間Ｔが比較時間７０７よりも短ければ、副燃焼室１０２内に、くすぶりは発生していないと診断し、診断結果レベルを０にする。例えば、くすぶりが発生していないときのくすぶり検出信号８０１に対し、比較電圧７０５に達するまでの時間Ｔはくすぶり判断指標８０２となり、比較時間７０７よりも短くなるので、くすぶりが発生していないと診断できる。ここでは、点火コイル制御線６０３の信号をＨｉｇｈからＬｏｗへ切替える指示を出すタイミングを基準時刻７０４として時間をカウントしたが、マスク期間７０３の終了後の時間をカウントしてもよい。

実施の形態１と同様に、比較時間を複数設け、例えば、１０［μｓｅｃ］、１５［μｓｅｃ］、２０［μｓｅｃ］のように設け、くすぶりレベルを段階的に診断しても良い。

くすぶり診断部１０６が、副燃焼室１０２内にくすぶり発生していると診断すれば、制御部１０８は実施の形態１のように、点火コイル１０４、燃料噴射器１０９を制御し、内燃機関１００が安定して動作できるように調整する。

従って、本実施の形態２によれば、くすぶりレベルの検出精度は下がるが、より簡単なシステム構成、より低コストで、副燃焼室内のくすぶり状態を診断し、適切な処置を実施できるようになるので、熱効率を大きく向上させることができる副室式内燃機関を安定して運転できるようになり、温室効果ガスの排出量を大幅に削減し、環境の保全に役立てることができる。また内燃機関１００の信頼性の向上にも寄与する。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 内燃機関の制御装置、１００ 内燃機関、１０１ オリフィス、１０２ 副燃焼室、１０３ 点火プラグ、１０４、１０４ａ、１０４ｃ 点火コイル、１０４ｂ 点火コイル基本機能部、１０５ くすぶり検出部、１０６ くすぶり診断部、１０７ 主燃焼室、１０８、１０８ａ 制御部、１０９ 燃料噴射器、１１０ 検出プローブ、３０１ くすぶり検出信号、３０２ イオンノイズ部、３０３ 診断区間、３０４ 比較電流、４０１ くすぶり検出信号、５０１ 一次コイル、５０１ａ コンデンサ、５０２ ２次コイル、５０３ スイッチ、６０１ 検出点、６０２ 検出点、６０３ 点火コイル制御線、７０１ くすぶり検出信号、７０２ ノイズ、７０３ マスク期間、７０４ 基準時刻、７０５ 比較電圧、７０６ くすぶり判断指標、７０７ 比較時間、８０１ くすぶり検出信号、８０２ くすぶり判断指標

Claims (8)

1. 主燃焼室と、
   前記主燃焼室との間に設けられたオリフィスから噴出される燃焼ガスによって前記主燃焼室内の混合気に着火する副燃焼室と、を備えた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
   前記主燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射器と、
   前記副燃焼室に配置され、高電圧が印加される電極と基準側電極との間に火花放電を発生させて混合気を燃焼させる点火プラグと、
   前記点火プラグに高電圧を供給する点火コイルと、
   前記燃料噴射器と前記点火コイルを制御する制御部と、
   前記副燃焼室に配置された検出プローブと、
   前記検出プローブによって、前記点火プラグに煤が堆積して生じるくすぶりの状態に応じて前記点火プラグの周りを流れる電流値を検出し、検出された電流値を示すくすぶり検出信号を出力するくすぶり検出部と、
   前記くすぶり検出部によって出力された前記くすぶり検出信号に応じて、前記副燃焼室内のくすぶり状態を診断する、くすぶり診断部と、を備え、
   前記くすぶり診断部は、前記内燃機関の始動後かつオフアイドル運転中に、圧縮行程の上死点前クランク角度９０度から６０度までの期間に前記くすぶり検出信号が予め定められた比較値よりも大きくなった場合にくすぶりが発生していると診断し、前記制御部に前記点火コイルの出力エネルギを通常よりも増加させる点火出力増加制御、および前記副燃焼室の空気過剰率を予め定めた範囲内とする前記燃料噴射器の燃料供給規制制御の少なくとも一方を実行させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 主燃焼室と、
   前記主燃焼室との間に設けられたオリフィスから噴出される燃焼ガスによって前記主燃焼室内の混合気に着火する副燃焼室と、を備えた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
   前記主燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射器と、
   前記副燃焼室に配置され、高電圧が印加される電極と基準側電極との間に火花放電を発生させて混合気を燃焼させる点火プラグと、
   前記点火プラグに高電圧を供給する点火コイルと、
   前記燃料噴射器と前記点火コイルを制御する制御部と、
   前記副燃焼室に配置された検出プローブと、
   前記検出プローブによって、前記点火プラグに煤が堆積して生じるくすぶりの状態に応じて前記点火プラグの周りを流れる電流値を検出し、検出された電流値を示すくすぶり検出信号を出力するくすぶり検出部と、
   前記くすぶり検出部によって出力された前記くすぶり検出信号に応じて、前記副燃焼室内のくすぶり状態を診断する、くすぶり診断部と、を備え、
   前記くすぶり診断部は、前記内燃機関の始動後かつオフアイドル運転中に、前記点火コイルの通電開始前の３ｍｓ期間に前記くすぶり検出信号が予め定められた比較値よりも大きくなった場合にくすぶりが発生していると診断し、前記制御部に前記点火コイルの出力エネルギを通常よりも増加させる点火出力増加制御、および前記副燃焼室の空気過剰率を予め定めた範囲内とする前記燃料噴射器の燃料供給規制制御の少なくとも一方を実行させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 前記くすぶり診断部は、前記内燃機関のアイドル運転中は、前記内燃機関の始動後かつオフアイドル運転中よりも広い期間において前記副燃焼室内のくすぶり状態を診断する請求項１または２のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記くすぶり診断部は、前記内燃機関のアイドル運転中は、前記内燃機関の圧縮行程の上死点前クランク角度３５０度から３００度までの期間、圧縮行程の上死点前クランク角度１００度から５０度までの期間、および圧縮行程の上死点後クランク角度１００度から１５０度までの期間において前記副燃焼室内のくすぶり状態を診断する請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記くすぶり診断部は、前記内燃機関の冷却水温度が予め定めた温度未満であって始動時には、前記アイドル運転中よりも広い期間において前記副燃焼室内のくすぶり状態を診断する請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記くすぶり診断部は、前記内燃機関の冷却水温度が予め定めた温度未満であって始動時には、前記内燃機関の圧縮行程の上死点前クランク角度３６０度から５０度までの期間、および圧縮行程の上死点後クランク角度８０度から３６０度までの期間において前記副燃焼室内のくすぶり状態を診断する請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記点火コイルは、出力電流の最大値が１０５［ｍＡ］以上である請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記くすぶり診断部は、前記副燃焼室内にくすぶりが発生していると診断した場合に、前記制御部に前記燃料供給規制制御として前記副燃焼室の空気過剰率が０．９以上かつ１．０以下の範囲に入るように、燃料が希薄な場合は燃料を増量制御させ、燃料が過濃な場合は燃料を減量制御させる請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。

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