JP7130868B2 - 内燃機関用制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関用制御装置に関する。
近年、車両の燃費向上のため、理論空燃比よりも薄い混合気を燃焼して内燃機関を運転する技術や、燃焼後の排気ガスの一部を取り入れて再度吸気させる技術などを導入した内燃機関の制御装置が開発されている。
この種の内燃機関の制御装置では、燃焼室における燃料や空気の量が理論値から乖離するため、点火プラグによる燃料への着火不良が生じやすくなる。そこで、点火プラグの放電電流を増大することで、点火プラグの電極間に生じる放電路を延長して、着火不良を抑制する方法がある。しかし、点火プラグの放電電流を増大させるためには点火装置の充放電量が増大するため、点火装置の発熱量や容積が大きくなってしまう。
特許文献1には、点火コイル2個を用いて、運転条件ごとの着火不良の生じやすさに応じて、動作させる点火コイルの個数を変化させるようにした内燃機関の制御装置が開示されている。
国際公開第2017/010310号
一般に、シリンダ内のガス流速はエンジン回転数や充填率と共に高くなる。ガス流速が高い場合、短時間に多くの電力を出力することでより長い放電路が形成して、ガスと放電路の接触機会を増大する必要がある。ガス流速が低い場合、放電路を長くできないため、長時間に少ない電力を出力することで、より長時間の短い放電路が形成して、ガスと放電路の接触機会を増大する必要がある。しかしながら、特許文献1に開示されている技術では、流速に関わらず着火不良を生じにくくする必要があるために、長時間に多くの電力を出力するため、点火装置の発熱量や容積を抑制することができない。
したがって、本発明は、上記の課題に着目してなされたもので、点火プラグによる燃料への着火不良を抑えつつ、内燃機関における点火装置の消費電力と発熱量と容積を抑制することを目的とする。
本発明による内燃機関用制御装置は、内燃機関の気筒内で放電して燃料への点火を行う点火プラグに対し電気エネルギーを与える点火コイルの通電を制御する点火制御部を備え、前記点火コイルは、1次側にそれぞれ配置された1次主コイルおよび1次副コイルと、2次側に配置された2次コイルと、を有し、前記点火制御部は、前記1次主コイルに流れる1次主電流を制御するとともに、前記点火プラグ周囲のガス状態に基づいて、前記1次副コイルに流れる1次副電流を制御することで、前記点火コイルから第1の電気エネルギーが放出されるとともに、前記点火プラグ周囲のガス状態に基づいて変化する第2の電気エネルギーが前記第1の電気エネルギーに重ねて放出されるように、前記点火コイルの通電を制御し、前記点火制御部は、前記点火プラグ周囲のガスの流速が変化しても、前記1次主コイルに前記1次主電流が流れる期間と前記1次副コイルに前記1次副電流が流れる期間との合計が一定となるように、前記1次主電流および前記1次副電流を制御する
本発明によれば、点火プラグによる燃料への着火不良を抑えつつ、内燃機関における点火装置の消費電力と発熱量と容積を抑制することができる。
実施の形態にかかる内燃機関及び内燃機機関の制御装置の要部構成を説明する図である。 点火プラグを説明する部分拡大図である。 実施の形態にかかる制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。 実施の形態にかかる点火コイルを含む電気回路を説明する図である。 内燃機関の運転状態と点火プラグ周囲のガス流速との関係を説明する図である。 点火プラグの電極間における放電路と流速の関係を説明する図である。 重ね放電の有無による点火コイルの出力可能電力の変化を説明する図である。 第1の重ね放電制御を説明する図である。 第2の重ね放電制御を説明する図である。 第2の重ね放電制御における電極間のガス流速と点火信号の設定値との関係を説明する図である。 点火コイルの制御方法を説明するフローチャートの一例である。
以下、本発明の実施形態にかかる内燃機関用制御装置を説明する。
以下、本発明の一実施形態にかかる内燃機関用制御装置の一態様である制御装置1を説明する。この実施の形態では、制御装置1により、4気筒の内燃機関100の各気筒150に各々設けられた点火プラグ200の放電(点火)を制御する場合を例示して説明する。
以下、実施の形態において、内燃機関100の一部の構成又は全ての構成及び制御装置1の一部の構成又は全ての構成を組み合わせたものを、内燃機関100の制御装置1と言う。
[内燃機関]
図1は、内燃機関100及び内燃機関用点火装置の要部構成を説明する図である。
図2は、点火プラグ200の電極210、220を説明する部分拡大図である。
内燃機関100では、外部から吸引した空気はエアクリーナ110、吸気管111、吸気マニホールド112を通流し、吸気弁151が開くと各気筒150に流入する。各気筒150に流入する空気量は、スロットル弁113により調整され、スロットル弁113で調整された空気量は、流量センサ114により測定される。
スロットル弁113には、スロットルの開度を検出するスロットル開度センサ113aが設けられている。このスロットル開度センサ113aで検出されたスロットル弁113の開度情報は、制御装置(Electronic Control Unit:ECU)1に出力される。
なお、スロットル弁113は、電動機で駆動される電子スロットル弁が用いられるが、空気の流量を適切に調整できるものであれば、その他の方式によるものでもよい。
各気筒150に流入したガスの温度は、吸気温センサ115で検出される。
クランクシャフト123に取り付けられたリングギア120の径方向外側には、クランク角センサ121が設けられている。このクランク角センサ121により、クランクシャフト123の回転角度が検出される。実施の形態では、クランク角センサ121は、例えば10°毎及び燃焼周期毎のクランクシャフト123の回転角度を検出する。
シリンダヘッドのウォータジャケット(図示せず)には、水温センサ122が設けられている。この水温センサ122により、内燃機関100の冷却水の温度を検出する。
また、車両には、アクセルペダル125の変位量(踏み込み量)を検出するアクセルポジションセンサ(Accelerator Position Sensor:APS)126が設けられている。このアクセルポジションセンサ126により、運転者の要求トルクを検出する。このアクセルポジションセンサ126で検出された運転者の要求トルクは、後述する制御装置1に出力される。制御装置1は、この要求トルクに基づいて、スロットル弁113を制御する。
燃料タンク130に貯留された燃料は、燃料ポンプ131によって吸引及び加圧された後、プレッシャレギュレータ132が設けられた燃料配管133を通流し、燃料噴射弁(インジェクタ)134に誘導される。燃料ポンプ131から出力された燃料は、プレッシャレギュレータ132で所定の圧力に調整され、燃料噴射弁(インジェクタ)134から各気筒150内に噴射される。プレッシャレギュレータ132で圧力調整された結果、余分な燃料は戻り配管(図示せず)を介して燃料タンク130に戻される。
内燃機関100のシリンダヘッド(図示せず)には、燃焼圧センサ(CylinderPressure Sensor:CPS、筒内圧センサとも言う)140が設けられている。燃焼圧センサ140は、各気筒150内に設けられており、気筒150内の圧力(燃焼圧)を検出する。
燃焼圧センサ140は、圧電式又はゲージ式の圧力センサが用いられ、広い温度領域に渡って気筒150内の燃焼圧(筒内圧)を検出することができるようになっている。
各気筒150には、排気弁152と、燃焼後のガス(排気ガス)を気筒150の外側に排出する排気マニホールド160が取り付けられている。この排気マニホールド160の排気側には、三元触媒161が設けられている。排気弁152が開くと、気筒150から排気マニホールド160に排気ガスが排出される。この排気ガスは、排気マニホールド160を通って三元触媒161で浄化された後、大気に排出される。
三元触媒161の上流側には、上流側空燃比センサ162が設けられている。この上流側空燃比センサ162は、各気筒150から排出された排気ガスの空燃比を連続的に検出する。
また、三元触媒161の下流側には、下流側空燃比センサ163が設けられている。この下流側空燃比センサ163は、理論空燃比近傍でスイッチ的な検出信号を出力する。実施の形態では、下流側空燃比センサ163は、例えばO2センサである。
また、各気筒150の上部には、点火プラグ200が各々設けられている。点火プラグ200の放電(点火)により、気筒150内の空気と燃料との混合気に火花が着火し、気筒150内で爆発が起こり、ピストン170が押し下げられる。ピストン170が押し下げられることにより、クランクシャフト123が回転する。
点火プラグ200には、点火プラグ200に供給される電気エネルギー(電圧)を生成する点火コイル300が接続されている。点火コイル300で発生した電圧により、点火プラグ200の中心電極210と外側電極220との間に放電が生じる(図2参照)。
図2に示すように、点火プラグ200では、中心電極210は、絶縁体230により絶縁状態で支持されている。この中心電極210に所定の電圧(実施の形態では、例えば20,000V~40,000V)が印加される。
外側電極220は接地されている。中心電極210に所定の電圧が印加されると、中心電極210と外側電極220との間で放電(点火)が生じる。
なお、点火プラグ200において、中心電極210と外側電極220との間に存在する気体(ガス)の状態や筒内圧によって、ガス成分の絶縁破壊を起こして放電(点火)が発生する電圧が変動する。この放電が発生する電圧を絶縁破壊電圧と言う。
点火プラグ200の放電制御(点火制御)は、後述する制御装置1の点火制御部83により行われる。
図1に戻って、前述したスロットル開度センサ113a、流量センサ114、クランク角センサ121、アクセルポジションセンサ126、水温センサ122、燃焼圧センサ140等の各種センサからの出力信号は、制御装置1に出力される。制御装置1では、これら各種センサからの出力信号に基づいて、内燃機関100の運転状態を検出し、気筒150内に送出する空気量、燃料噴射量、点火プラグ200の点火タイミング等の制御を行う。
[制御装置のハードウェア構成]
次に、制御装置1のハードウェアの全体構成を説明する。
図1に示すように、制御装置1は、アナログ入力部10と、デジタル入力部20と、A/D(Analog/Digital)変換部30と、RAM(Random Access Memory)40と、MPU(Micro-Processing Unit)50と、ROM(Read Only Memory)60と、I/O(Input/Output)ポート70と、出力回路80と、を有する。
アナログ入力部10には、スロットル開度センサ113a、流量センサ114、アクセルポジションセンサ126、上流側空燃比センサ162、下流側空燃比センサ163、燃焼圧センサ140、水温センサ122等の各種センサからのアナログ出力信号が入力される。
アナログ入力部10には、A/D変換部30が接続されている。アナログ入力部10に入力された各種センサからのアナログ出力信号は、ノイズ除去等の信号処理が行われた後、A/D変換部30でデジタル信号に変換され、RAM40に記憶される。
デジタル入力部20には、クランク角センサ121からのデジタル出力信号が入力される。
デジタル入力部20には、I/Oポート70が接続されており、デジタル入力部20に入力されたデジタル出力信号は、このI/Oポート70を介してRAM40に記憶される。
RAM40に記憶された各出力信号は、MPU50で演算処理される。
MPU50は、ROM60に記憶された制御プログラム(図示せず)を実行することで、RAM40に記憶された出力信号を、制御プログラムに従って演算処理する。MPU50は、制御プログラムに従って、内燃機関100を駆動する各アクチュエータ(例えば、スロットル弁113、プレッシャレギュレータ132、点火プラグ200等)の作動量を規定する制御値を算出し、RAM40に一時的に記憶する。
RAM40に記憶されたアクチュエータの作動量を規定する制御値は、I/Oポート70を介して出力回路80に出力される。
出力回路80には、点火プラグ200に印加する電圧を制御する点火制御部83(図3参照)の機能などが設けられている。
[制御装置の機能ブロック]
次に、本発明の実施形態にかかる制御装置1の機能構成を説明する。
図3は、本発明の一実施形態にかかる制御装置1の機能構成を説明する機能ブロック図である。この制御装置1の各機能は、例えばMPU50がROM60に記憶された制御プログラムを実行することで、出力回路80で実現される。
図3に示すように、第1の実施形態にかかる制御装置1の出力回路80は、全体制御部81と、燃料噴射制御部82と、点火制御部83とを有する。
全体制御部81は、アクセルポジションセンサ126と、燃焼圧センサ140(CPS)に接続されており、アクセルポジションセンサ126からの要求トルク(加速信号S1)と、燃焼圧センサ140からの出力信号S2とを受け付ける。
全体制御部81は、アクセルポジションセンサ126からの要求トルク(加速信号S1)と、燃焼圧センサ140からの出力信号S2とに基づいて、燃料噴射制御部82と点火制御部83の全体的な制御を行う。
燃料噴射制御部82は、内燃機関100の各気筒150を判別する気筒判別部84と、クランクシャフト123のクランク角を計測する角度情報生成部85と、エンジン回転数を計測する回転数情報生成部86と、に接続されており、気筒判別部84からの気筒判別情報S3と、角度情報生成部85からのクランク角度情報S4と、回転数情報生成部86からのエンジン回転数情報S5と、を受け付ける。
また、燃料噴射制御部82は、気筒150内に吸気される空気の吸気量を計測する吸気量計測部87と、エンジン負荷を計測する負荷情報生成部88と、エンジン冷却水の温度を計測する水温計測部89と、に接続されており、吸気量計測部87からの吸気量情報S6と、負荷情報生成部88からのエンジン負荷情報S7と、水温計測部89からの冷却水温度情報S8と、を受け付ける。
燃料噴射制御部82は、受け付けた各情報に基づいて、燃料噴射弁134から噴射される燃料の噴射量と噴射時間(燃料噴射弁制御情報S9)を算出し、算出した燃料の噴射量と噴射時間とに基づいて燃料噴射弁134を制御する。
点火制御部83は、全体制御部81のほか、気筒判別部84と、角度情報生成部85と、回転数情報生成部86と、負荷情報生成部88と、水温計測部89とに接続されており、これらからの各情報を受け付ける。
点火制御部83は、受け付けた各情報に基づいて、点火コイル300の1次側コイル(図示せず)に通電する電流量(通電角)と、通電開始時間と、1次側コイルに通電した電流を遮断する通電終了時間とを算出する。ここで、本実施形態の点火コイル300は、後述するように2種類の1次側コイルを有している。そのため、点火制御部83は、この2種類の1次側コイルの各々について、通電角、通電開始時間、通電終了時間を算出する。
点火制御部83は、算出した通電角と、通電開始時間と、通電終了時間とに基づいて、点火コイル300の各1次側コイルに点火信号SA、SBをそれぞれ出力することで、点火プラグ200による放電制御(点火制御)を行う。
なお、少なくとも、点火制御部83が点火信号SA、SBを用いて点火プラグ200の点火制御を行う機能は、本発明の内燃機関用制御装置に相当する。
[点火コイルの電気回路]
次に、本発明の実施形態にかかる点火コイル300を含む電気回路400を説明する。
図4は、本発明の一実施形態にかかる点火コイル300を含む電気回路400を説明する図である。電気回路400において、点火コイル300は、所定の巻き数でそれぞれ巻かれた2種類の1次側コイル310、360と、1次側コイル310、360よりも多い巻き数で巻かれた2次側コイル320と、を含んで構成される。ここで、点火プラグ200の点火時には、先に1次側コイル310からの電力が2次側コイル320に供給され、その電力に重ねて、1次側コイル360からの電力が2次側コイル320に供給される。
そのため以下では、1次側コイル310を「1次主コイル」、1次側コイル360を「1次副コイル」とそれぞれ称する。また、1次主コイル310に流れる電流を「1次主電流」、1次副コイル360に流れる電流を「1次副電流」とそれぞれ称する。
1次主コイル310の一端は、直流電源330に接続されている。これにより、1次主コイル310には、所定の電圧(実施の形態では、例えば12V)が印加される。
1次主コイル310の他端は、イグナイタ340に接続されており、イグナイタ340を介して接地されている。イグナイタ340には、トランジスタや電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)などが用いられる。
イグナイタ340のベース(B)端子は、点火制御部83に接続されている。点火制御部83から出力された点火信号SAは、イグナイタ340のベース(B)端子に入力される。イグナイタ340のベース(B)端子に点火信号SAが入力されると、イグナイタ340のコレクタ(C)端子とエミッタ(E)端子間が通電状態となり、コレクタ(C)端子とエミッタ(E)端子間に電流が流れる。これにより、点火制御部83からイグナイタ340を介して点火コイル300の1次主コイル310に点火信号SAが出力され、1次主コイル310に1次主電流が流れて電力(電気エネルギー)が蓄積される。
点火制御部83からの点火信号SAの出力が停止して、1次主コイル310に流れる1次主電流が遮断されると、1次主コイル310に対するコイルの巻き数比に応じた高電圧が2次側コイル320に発生する。
1次副コイル360の一端は、1次主コイル310と共通で直流電源330に接続されている。これにより、1次副コイル360にも、所定の電圧(実施の形態では、例えば12V)が印加される。
1次副コイル360の他端は、イグナイタ350に接続されており、イグナイタ350を介して接地されている。イグナイタ350には、トランジスタや電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)などが用いられる。
イグナイタ350のベース(B)端子は、点火制御部83に接続されている。点火制御部83から出力された点火信号SBは、イグナイタ350のベース(B)端子に入力される。イグナイタ350のベース(B)端子に点火信号SBが入力されると、イグナイタ350のコレクタ(C)端子とエミッタ(E)端子間が点火信号SBの電圧変化に応じた通電状態となり、コレクタ(C)端子とエミッタ(E)端子間に点火信号SBの電圧変化に応じた電流が流れる。これにより、点火制御部83からイグナイタ350を介して点火コイル300の1次副コイル360に点火信号SBが出力され、1次副コイル360に1次副電流が流れて電力(電気エネルギー)が発生する。
点火制御部83からの点火信号SBの出力が変化して、1次副コイル360に流れる1次副電流が変化すると、1次副コイル360に対するコイルの巻き数比に応じた高電圧が2次側コイル320に発生する。
点火信号SAにより2次側コイル320に発生する高電圧に、点火信号SBにより2次側コイル320に発生する高電圧が加わって、点火プラグ200(中心電極210)に印加されることで、点火プラグ200の中心電極210と、外側電極220との間に電位差が発生する。この中心電極210と外側電極220との間に発生した電位差が、ガス(気筒150内の混合気)の絶縁破壊電圧Vm以上になると、ガス成分が絶縁破壊されて中心電極210と外側電極220との間に放電が生じ、燃料(混合気)への点火(着火)が行われる。
点火制御部83は、以上説明したような電気回路400の動作により、点火信号SAとSBを用いて点火コイル300の通電を制御する。これにより、点火プラグ200を制御するための点火制御を実施する。
[点火コイルの通電制御]
次に、本発明の一実施形態に係る点火コイル300の通電制御について説明する。点火制御部83は、イグナイタ340、350に点火信号SA、SBをそれぞれ出力することで、1次主コイル310、1次副コイル360の通電制御を行う。この通電制御では、気筒150内における点火プラグ200周囲のガス状態を推定し、推定したガス状態に基づいて、1次主コイル310から2次側コイル320へ電気エネルギーが放出されるとともに、その電気エネルギーに重ねて、1次副コイル360から2次側コイル320へ電気エネルギーが放出されるように、1次主コイル310および1次副コイル360の通電を制御する。以下では、このような点火制御部83による通電制御(以下、重ね放電制御と称する)について説明する。
図5は、内燃機関100の運転状態と点火プラグ200周囲のガス流速との関係を説明する図である。図5に示すように、一般にはエンジン回転数や負荷が高いほど、気筒150内のガス流速が高くなり、点火プラグ200周囲のガスも高流速になる。したがって、点火プラグ200の中心電極210と外側電極220の間において、ガスが高速に流れることとなる。また、排気再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)が行われる内燃機関100では、エンジン回転数と負荷の関係に応じて、例えば図5に示すようにEGR率が設定される。なお、EGR率をより高く設定する高EGR領域を拡大するほど、低燃費化や低排気化を実現できるが、点火プラグ200において着火不良が生じやすくなる。
図6は、点火プラグ200の電極間における放電路と流速の関係を説明する図である。
点火コイル300において2次側コイル320に高電圧が発生し、点火プラグ200の中心電極210と外側電極220の間に絶縁破壊が生じると、これらの電極間に流れる電流が一定値以下になるまでの間、点火プラグ200の電極間に放電路が形成される。この放電路に可燃ガスが接触すると、火炎核が成長して燃焼に至る。放電路は、電極間のガス流れの影響を受けて移動するため、ガス流速が高いほど短時間で長い放電路を形成し、ガス流速が低いほど放電路が短くなる。図6(a)はガス流速が高いときの放電路211の例を示しており、図6(b)はガス流速が低いときの放電路212の例を示している。
内燃機関100が高EGR率で運転される場合、可燃ガスが放電路と接触しても火炎核が成長する確率が下がるため、可燃ガスが放電路と接触する機会を増やす必要がある。前述のように、放電路はガスの絶縁を破壊して生成されるため、放電路の維持に必要な電流を一定とすれば、放電路の長さに応じた電力の出力が必要となる。このため、ガス流速が高い場合は、短時間で大きな電力を点火コイル300から点火プラグ200へ出力するように点火コイル300の通電制御を行い、これにより図6(a)のような長い放電路211を形成することで、より広範な空間のガスと接触機会を得ることが好ましい。一方、ガス流速が低い場合は、小さな電力を長時間の間に点火コイル300から点火プラグ200へ出力し続けるように点火コイル300の通電制御を行い、これにより図6(b)のような短い放電路212の形成を維持することで、点火プラグ200の電極付近を通過するガスとの接触機会をより長時間にわたって得ることが好ましい。
本実施形態では、図4で説明した1次主コイル310および1次副コイル360を有する点火コイル300を採用し、この点火コイル300に対して前述の点火信号SA、SBを用いた重ね放電制御を行うことにより、上記のような点火プラグ200の放電を実現している。
図7は、重ね放電の有無による点火コイル300の出力可能電力の変化を説明する図である。図7(a)は、重ね放電なしの場合における点火信号SAの出力波形、点火コイル300の出力可能電力およびガスの燃焼に必要な電力の関係を示しており、図7(b)は、重ね放電ありの場合における点火信号SA、SBの出力波形、点火コイル300の出力可能電力およびガスの燃焼に必要な電力の関係を示している。
先に述べた通り、点火制御部83から点火信号SAの出力中には、1次主コイル310に電気エネルギーが充電されることで、図7(a)、(b)に示すように、1次主コイル310による点火コイル300の出力可能電力71が次第に上昇する。このとき1次主コイル310には、電源から供給される一定の電圧により1次主電流が流れるため、その通電時間に応じた発熱が生じる。点火信号SAの出力が終了すると、それまで1次主コイル310に充電された電気エネルギーが放出され、2次側コイル320を介して点火プラグ200への電力供給が開始される。これにより、図7(a)、(b)に示すように、1次主コイル310内の充電量減少とともに、1次主コイル310による出力可能電力71が減少していく。
また、重ね放電ありの場合には、点火制御部83から点火信号SBの出力中には、1次副コイル360に流れる1次副電流の大きさに応じた電気エネルギーが1次副コイル360から放出され、2次側コイル320を介して点火プラグ200への電力供給が行われる。これにより、図7(b)に示すように、1次主コイル310による出力可能電力71と、1次副コイル360による点火コイル300の出力可能電力72とが重ねられ、これらの合計電力が点火プラグ200に供給される。
点火プラグ200の放電がガスの燃焼を引き起こすためには、絶縁破壊のための電力と、放電路の維持のための電力との2つが主に必要となる。放電路の維持に必要な電力は、前述のように電極間のガス流速によって異なり、ガス流速が高い場合は短時間で大きな電力が、ガス流速が低い場合は長時間の電力がそれぞれ必要となる。図7(a)、(b)において、図形73は絶縁破壊のための電力を、図形74はガスが高流速の場合に放電路の維持に必要な電力を、図形75はガスが低流速の場合に放電路の維持に必要な電力をそれぞれ示している。
図7(a)に示す例では、図形74、75がいずれも出力可能電力71をはみ出しており、高流速と低流速の双方で必要な電力を供給できていないことが分かる。そのため、点火プラグ200の放電途中で、放電路を維持できずに放電路が短絡してしまう。その結果、放電路の距離や維持時間の不足により、放電路とガスとの接触機会の不足が生じてしまい、ガスの燃焼不良が発生する。1次主コイル310からの出力可能電力71のみでこれを解決するためには、充電量確保のために大きな1次主コイル310が必要となるが、充電時間が増加して点火コイル300の発熱が増大するという課題がある。
一方、図7(b)に示す例では、図形74、75の双方が出力可能電力71、72を合わせた範囲内となっており、高流速と低流速の双方で必要な電力を供給可能なことが分かる。すなわち、2種類の1次側コイル(1次主コイル310および1次副コイル360)を用いた重ね放電を行うことで、高流速、低流速いずれの場合でも、内燃機関100における燃焼不良の発生を抑制することができる。さらに、こうした重ね放電は点火コイル300に制御基板を追加することで実現可能なため、1次主コイル310の充電量を増加させる場合と比べて、点火コイル300の容積増加を抑えられる。
ただし、図7(b)の例では、点火信号SAと点火信号SBの出力時間がそれぞれt=6となっており、これらを合計した信号出力時間はΣt=12である。これは、図7(a)の点火信号SAの出力時間と比べて倍になっている。このように、図7(b)に示した重ね放電では、点火コイル300の放電電力と、点火プラグ200の電極間における放電路の形成および維持に必要な電力との差が大きいため、電力効率が低くなっている。
そこで本実施形態では、重ね放電における電力効率を向上するために、点火制御部83において、気筒150内における点火プラグ200周囲のガス状態を推定し、推定したガス状態に基づいて、点火信号SAの出力時間や、点火信号SBの出力時間および出力タイミングを変化させる。これにより、点火コイル300から1次主コイル310による電気エネルギーが放出されるとともに、点火プラグ200周囲のガス状態に基づいて変化する1次副コイル360による電気エネルギーが、1次主コイル310による電気エネルギーに重ねて放出されるように、点火コイル300の通電を制御する。
[第1の重ね放電制御]
次に、本発明の一実施形態に係る第1の重ね放電制御について説明する。第1の重ね放電制御では、点火プラグ200周囲のガス流速に基づいて、点火信号SBの出力時間および出力タイミングを以下のように変化させる。
図8は、第1の重ね放電制御を説明する図である。図8(a)は、ガス流速が低い低流速時における点火信号SA、SBの出力波形、点火コイル300の出力可能電力およびガスの燃焼に必要な電力の関係を示しており、図8(b)は、ガス流速が高い高流速時における点火信号SA、SBの出力波形、点火コイル300の出力可能電力およびガスの燃焼に必要な電力の関係を示している。
一般に、内燃機関100を低EGR率で運転する場合、燃焼速度の上昇に伴う燃焼重心の位相を補正する必要から、点火時期を遅角する。この点火時期の遅角に伴い、点火時期における燃焼室容積が縮小するため、気筒150内のガスは低流速となる。したがってこの場合には、図8(a)のように、図形73で示される絶縁破壊のための電力と、図形75で示される低流速での放電路の維持に必要な電力とを、点火コイル300から点火プラグ200へ供給する必要がある。
第1の重ね放電制御では、低流速時には図8(a)に示すように、点火信号SAの出力に続けて点火信号SBを出力する。このとき、図7(b)の場合と比べて、点火信号SBの出力時間をt=2と短くすることで、点火信号SAと点火信号SBの出力時間を合計した信号出力時間をΣt=8として、電力効率の改善を図るようにしている。しかしながら、図8(a)では図形75の一部が出力可能電力71、72を合わせた範囲をはみ出している。そのため、低流速時に必要な期間だけ放電路を維持することができずに、ガスの燃焼不良が発生してしまうおそれがある。
また一般に、内燃機関100を高EGR率で運転する場合、燃焼速度の低下に伴う燃焼重心の位相を補正する必要から、点火時期を進角する。この点火時期の進角に伴い、点火時期における燃焼室容積が拡大するため、気筒150内のガスは高流速となる。したがってこの場合には、図8(b)のように、図形73で示される絶縁破壊のための電力と、図形74で示される高流速での放電路の維持に必要な電力とを、点火コイル300から点火プラグ200へ供給する必要がある。
第1の重ね放電制御では、高流速時には図8(b)に示すように、点火信号SAと点火信号SBの間に位相差を設けて、点火信号SAの出力から位相差に応じたタイミング後に点火信号SBを出力する。このとき、図7(b)の場合と比べて、位相差の分だけ点火信号SBの出力時間をt=4と短くすることで、電力効率の改善を図るようにしている。しかしながら、図8(b)では図形74の一部が出力可能電力71、72を合わせた範囲をはみ出している。そのため、高流速時に長い放電路を形成することができずに、ガスの燃焼不良が発生してしまうおそれがある。さらに、点火信号SAと点火信号SBの出力時間を合計した信号出力時間はΣt=10であり、図8(a)の信号出力時間Σt=8よりも大きくなっている。
以上説明したように、第1の重ね放電制御では、ガス流速が低い場合には電力効率を向上することが可能であるが、低流速時、高流速時ともに放電路を十分に形成することができない。また、ガス流速の違いにより、点火信号SAと点火信号SBを合わせた信号出力時間が異なる。そのため、信号出力時間が長い方の条件に合わせて点火コイル300の発熱対策が設計上必要となり、ハードウェア効率が低下する。
[第2の重ね放電制御]
次に、本発明の一実施形態に係る第2の重ね放電制御について説明する。第2の重ね放電制御では、点火プラグ200周囲のガス流速に基づいて、点火信号SAの出力時間と、点火信号SBの出力時間および出力タイミングとを以下のように変化させる。
図9は、第2の重ね放電制御を説明する図である。図9(a)は、ガス流速が低い低流速時における点火信号SA、SBの出力波形、点火コイル300の出力可能電力およびガスの燃焼に必要な電力の関係を示しており、図9(b)は、ガス流速が高い高流速時における点火信号SA、SBの出力波形、点火コイル300の出力可能電力およびガスの燃焼に必要な電力の関係を示している。
第2の重ね放電制御では、低流速時には図9(a)に示すように、点火信号SAの出力時間をt=4と短くするとともに、点火信号SAと点火信号SBの間に位相差を設けて、点火信号SAの出力から位相差に応じたタイミング後に点火信号SBを出力する。このときの点火信号SAと点火信号SBの出力時間を合計した信号出力時間は、Σt=8である。図9(a)では、図形73、75の双方が出力可能電力71、72を合わせた範囲内となっているため、低流速時に必要な期間だけ放電路を維持することができる。
また、高流速時には図9(b)に示すように、点火信号SAの出力時間をt=6とする一方で、点火信号SBの出力時間をt=2と短くする。そして、点火信号SAと点火信号SBの間の位相差を0とし、点火信号SAの出力の直後に点火信号SBを出力する。このときの点火信号SAと点火信号SBの出力時間を合計した信号出力時間は、低流速時と同じΣt=8である。図9(b)でも、図形73、74の双方が出力可能電力71、72を合わせた範囲内となっているため、高流速時に長い放電路を形成することができる。
以上説明したように、第2の重ね放電制御では、点火プラグ200周囲のガス流速が速いほど、1次副コイル360に1次副電流が流れるタイミングを早めるととともに、1次副コイル360に1次副電流が流れる期間を短くするように、点火信号SBの出力時間および出力タイミングを調整して1次副電流を制御する。また、点火プラグ200周囲のガス流速が速いほど、1次主コイル310に1次主電流が流れる期間を長くするように、点火信号SAの出力時間を調整して1次主電流を制御する。このとき、1次副コイル360に1次副電流が流れる期間が1次主コイル310の放電期間以下となるように、1次主電流および1次副電流を制御することが好ましい。これにより、低流速時、高流速時ともに、点火コイル300の放電電力と、点火プラグ200の電極間における放電路の形成および維持に必要な電力との差を小さくして電力効率を向上しつつ、放電路を十分に形成することができる。
さらに、第2の重ね放電制御では、ガス流速が変化しても、点火信号SAと点火信号SBを合わせた信号出力時間、すなわち、1次主コイル310に1次主電流が流れる期間と1次副コイル360に1次副電流が流れる期間との合計が一定となるように、1次主電流および1次副電流を制御する。これにより、ガス流速に関わらず同一条件での点火コイル300の発熱対策で済むため、ハードウェア効率を向上させることができる。
図10は、第2の重ね放電制御における電極間のガス流速と点火信号SA、SBの設定値との関係を説明する図である。
図10(a)は、ガス流速と1次主コイル310の充電時間との関係を示している。図10(a)に示すように、点火制御部83は、電極間のガス流速が速くなるほど、1次主コイル310の充電時間が長くなるように、点火信号SAの出力時間を設定する。また、同じガス流速で比較した場合、EGR率が高くなるほど、1次主コイル310の充電時間が長くなるように、点火信号SAの出力時間を設定する。
図10(b)は、ガス流速と1次副コイル360の重ね放電時間との関係を示している。図10(b)に示すように、点火制御部83は、電極間のガス流速が速くなるほど、1次主コイル310の放電中における1次副コイル360の重ね放電時間が短くなるように、点火信号SBの出力時間を設定する。また、同じガス流速で比較した場合、EGR率が高くなるほど、1次副コイル360の重ね放電時間が長くなるように、点火信号SBの出力時間を設定する。
図10(c)は、ガス流速と1次主コイル310および1次副コイル360による放電開始時刻間の位相差との関係を示している。図10(c)に示すように、点火制御部83は、電極間のガス流速が速くなるほど、1次主コイル310の放電開始時刻と1次副コイル360の放電開始時刻との間の位相差が短くなり、これによって1次副コイル360の放電が行われるタイミングが早くなるように、点火信号SA、SB間の出力タイミングを設定する。
以上説明したように、電極間のガス流速に応じて点火信号SA、SBの出力時間および出力タイミングをそれぞれ定めることで、電極間のガス流速に応じて変化する着火に必要な電力に対して、過不足の少ない電力を点火コイル300から点火プラグ200へ供給することが可能となる。
なお、以上説明したような第2の重ね放電制御における電極間のガス流速に応じた点火信号SA、SBの設定は、いずれか任意のものを選択的に実施してもよい。例えば、1次副コイル360に1次副電流が流れる期間を一定とし、点火プラグ200周囲のガス流速が速いほどそのタイミングを早めるように、点火信号SBを設定してもよい。あるいは、1次副コイル360に1次副電流が流れるタイミングを一定とし、点火プラグ200周囲のガス流速が速いほどその期間を短くするように、点火信号SBを設定してもよい。このようにすれば、電極間のガス流速に応じて変化する着火に必要な電力に対して、ある程度の範囲で調整された電力を点火コイル300から点火プラグ200へ供給することが可能となる。
[点火コイルの制御方法]
次に、上記の第1、第2の重ね放電制御を実施する際の点火制御部83による点火コイル300の制御方法を説明する。図11は、本発明の一実施形態にかかる点火制御部83による点火コイル300の制御方法を説明するフローチャートの一例である。本実施形態において、点火制御部83は、車両のイグニッションスイッチがONされて内燃機関100の電源が投入されると、図11のフローチャートに従って点火コイル300の制御を開始する。なお、図11のフローチャートに示す処理は、内燃機関100の1サイクル分の処理を表しており、点火制御部83は各サイクルごとに図11のフローチャートに示す処理を実施する。
ステップS201において、点火制御部83は内燃機関100の運転条件を検出し、ガスの流速とEGR率を推定する。具体的には、例えば、予め運転条件ごとに定めたガス流速およびEGR率の値をマップ情報として記憶しておき、このマップ情報に対して検出したエンジン回転数と推定負荷を代入することで、現在の内燃機関100の運転状態に応じたガス流速とEGR率の値を得る。
ステップS202において、点火制御部83はコイル充電期間の算出を行う。具体的には、例えば、図10(a)に示したようなガス流速と1次主コイル310の充電時間との関係をマップ情報として記憶しておき、このマップ情報にステップS201で得た流速とEGR率を代入することで、1次主コイル310の充電時間の値を得る。
ステップS203において、点火制御部83は重ね放電期間の算出を行う。具体的には、例えば、図10(b)に示したようなガス流速と1次副コイル360の重ね放電時間との関係をマップ情報として記憶しておき、このマップ情報にステップS201で得た流速とEGR率を代入することで、1次副コイル360による重ね放電時間の値を得る。
ステップS204において、点火制御部83は位相差の算出を行う。具体的には、例えば、図10(c)に示したようなガス流速と1次主コイル310および1次副コイル360による放電開始時刻間の位相差との関係をマップ情報として記憶しておき、このマップ情報にステップS201で得た流速とEGR率を代入することで、1次主コイル310の放電から1次副コイル360の放電までの位相差の値を得る。
ステップS205において、点火制御部83は算出値の設定を行う。具体的には、ステップS202~S204でそれぞれ算出したコイル充電期間、重ね放電期間および位相差の各値を点火制御部83の記憶領域へ記録することで、次回以降の点火制御においてこれらの計算値が反映された点火信号SA、SBが出力されるようにする。ステップS205で各算出値の設定を実施したら、図11のフローチャートによる点火コイル300の制御を終了する。
以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
(1)内燃機関用の制御装置1は、内燃機関100の気筒150内で放電して燃料への点火を行う点火プラグ200に対し電気エネルギーを与える点火コイル300の通電を制御する点火制御部83を備える。点火制御部83は、点火コイル300から第1の電気エネルギーが放出されるとともに、点火プラグ200周囲のガス状態に基づいて変化する第2の電気エネルギーが第1の電気エネルギーに重ねて放出されるように、点火コイル300の通電を制御する。このようにしたので、点火プラグ200による燃料への着火不良を抑えつつ、内燃機関100における点火コイル300の消費電力と発熱量と容積を抑制することができる。
(2)点火コイル300は、1次側にそれぞれ配置された1次主コイル310および1次副コイル360と、2次側に配置された2次コイル320とを有する。点火制御部83は、1次主コイル310に流れる1次主電流を制御するとともに、点火プラグ200周囲のガス状態に基づいて、1次副コイル360に流れる1次副電流を制御する。具体的には、点火制御部83は、点火プラグ200周囲のガスの流速が速いほど、1次副コイル360に1次副電流が流れるタイミングを早め、1次副コイル360に1次副電流が流れる期間を短くするように、1次副電流を制御する。また、点火制御部83は、点火プラグ200周囲のガスの流速が速いほど、1次主コイル310に1次主電流が流れる期間を長くするように、1次主電流を制御する。このようにしたので、低流速時、高流速時ともに、点火コイル300の放電電力と、点火プラグ200の電極間における放電路の形成および維持に必要な電力との差を小さくして電力効率を向上しつつ、放電路を十分に形成することができる。
(3)点火制御部83は、点火プラグ200周囲のガスの流速が変化しても、1次主コイル310に1次主電流が流れる期間と1次副コイル360に1次副電流が流れる期間との合計が一定となるように、1次主電流および1次副電流を制御する。このようにしたので、ガス流速に関わらず同一条件での点火コイル300の発熱対策で済むため、ハードウェア効率を向上させることができる。
(4)点火制御部83は、1次副コイル360に1次副電流が流れる期間が1次主コイル310の放電期間以下となるように、1次主電流および1次副電流を制御することが好ましい。このようにすれば、1次副コイル360による重ね放電の期間を必要な分だけとすることができるため、省電力化を図ることができる。
(5)点火制御部83は、内燃機関100のEGR率が高いほど、1次主コイル310に1次主電流が流れる期間および1次副コイル360に1次副電流が流れる期間を長くするように、1次主電流および1次副電流を制御する。このとき、内燃機関100のEGR率が変化しても、1次副コイル360に1次副電流が流れるタイミングが一定となるように、1次副電流を制御する。このようにしたので、排気再循環が行われる内燃機関100において、EGR率に応じた最適な電力を点火コイル300から点火プラグ200へ供給することができる。
なお、以上説明した実施形態において、図3で説明した制御装置1の各機能構成は、前述のようにMPU50で実行されるソフトウェアにより実現してもよいし、あるいはFPGA(Field-Programmable Gate Array)等のハードウェアにより実現してもよい。また、これらを混在して使用してもよい。
以上説明した実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
1:制御装置、10:アナログ入力部、20:デジタル入力部、30:A/D変換部、40:RAM、50:MPU、60:ROM、70:I/Oポート、80:出力回路、81:全体制御部、82:燃料噴射制御部、83:点火制御部、84:気筒判別部、85:角度情報生成部、86:回転数情報生成部、87:吸気量計測部、88:負荷情報生成部、89:水温計測部、100:内燃機関、110:エアクリーナ、111:吸気管、112:吸気マニホールド、113:スロットル弁、113a:スロットル開度センサ、114:流量センサ、115:吸気温センサ、120:リングギア、121:クランク角センサ、122:水温センサ、123:クランクシャフト、125:アクセルペダル、126:アクセルポジションセンサ、130:燃料タンク、131:燃料ポンプ、132:プレッシャレギュレータ、133:燃料配管、134:燃料噴射弁、140:燃焼圧センサ、150:気筒、151:吸気弁、152:排気弁、160:排気マニホールド、161:三元触媒、162:上流側空燃比センサ、163:下流側空燃比センサ、170:ピストン、200:点火プラグ、210:中心電極、220:外側電極、230:絶縁体、300:点火コイル、310:1次主コイル、320:2次側コイル、330:直流電源、340,350:イグナイタ、360:1次副コイル、400:電気回路

Claims (7)

  1. 内燃機関の気筒内で放電して燃料への点火を行う点火プラグに対し電気エネルギーを与える点火コイルの通電を制御する点火制御部を備え、
    前記点火コイルは、1次側にそれぞれ配置された1次主コイルおよび1次副コイルと、2次側に配置された2次コイルと、を有し、
    前記点火制御部は、前記1次主コイルに流れる1次主電流を制御するとともに、前記点火プラグ周囲のガス状態に基づいて、前記1次副コイルに流れる1次副電流を制御することで、前記点火コイルから第1の電気エネルギーが放出されるとともに、前記点火プラグ周囲のガス状態に基づいて変化する第2の電気エネルギーが前記第1の電気エネルギーに重ねて放出されるように、前記点火コイルの通電を制御し、
    前記点火制御部は、前記点火プラグ周囲のガスの流速が変化しても、前記1次主コイルに前記1次主電流が流れる期間と前記1次副コイルに前記1次副電流が流れる期間との合計が一定となるように、前記1次主電流および前記1次副電流を制御する内燃機関用制御装置。
  2. 請求項に記載の内燃機関用制御装置において、
    前記点火制御部は、前記点火プラグ周囲のガスの流速が速いほど、前記1次副コイルに前記1次副電流が流れるタイミングを早めるように、前記1次副電流を制御する内燃機関用制御装置。
  3. 請求項またはに記載の内燃機関用制御装置において、
    前記点火制御部は、前記点火プラグ周囲のガスの流速が速いほど、前記1次副コイルに前記1次副電流が流れる期間を短くするように、前記1次副電流を制御する内燃機関用制御装置。
  4. 請求項から請求項のいずれか一項に記載の内燃機関用制御装置において、
    前記点火制御部は、前記点火プラグ周囲のガスの流速が速いほど、前記1次主コイルに前記1次主電流が流れる期間を長くするように、前記1次主電流を制御する内燃機関用制御装置。
  5. 請求項から請求項のいずれか一項に記載の内燃機関用制御装置において、
    前記点火制御部は、前記1次副コイルに前記1次副電流が流れる期間が前記1次主コイルの放電期間以下となるように、前記1次主電流および前記1次副電流を制御する内燃機関用制御装置。
  6. 請求項から請求項のいずれか一項に記載の内燃機関用制御装置において、
    前記点火制御部は、前記内燃機関のEGR率が高いほど、前記1次主コイルに前記1次主電流が流れる期間および前記1次副コイルに前記1次副電流が流れる期間を長くするように、前記1次主電流および前記1次副電流を制御する内燃機関用制御装置。
  7. 請求項から請求項のいずれか一項に記載の内燃機関用制御装置において、
    前記点火制御部は、前記内燃機関のEGR率が変化しても、前記1次副コイルに前記1次副電流が流れるタイミングが一定となるように、前記1次副電流を制御する内燃機関用制御装置。
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