JP7247364B2 - 内燃機関用制御装置 - Google Patents

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。燃料への着火不良を防止するためには、燃焼室内の圧力（燃焼圧）を正確に検知し、燃料と空気と排気ガスの混合比を決定する必要がある。

従来、混合気の燃焼中に電極間を流れるイオン電流を検知するイオン電流センサを内燃機関に設け、これを用いて検知したイオン電流から燃焼圧を求める方法が知られている。例えば特許文献１には、同一方向に巻かれた第１巻線Ｌ２ａと第２巻線Ｌ２ｂを有する二次コイルＬ２と、イオン電流検出回路とを備えた内燃機関の点火装置が開示されている。この点火装置では、点火プラグＰＧに点火放電用の高電圧が供給されるタイミングで、第２巻線Ｌ２ａの電圧によって電源用コンデンサＣ１が充電されることで、イオン電流検出回路のバイアス電圧を生成し、その後、点火プラグＰＧの電圧が降下すると、電源用コンデンサＣ１のバイアス電圧によって、点火プラグＰＧを経由してイオン電流が流れるようにしている。

特開２０１０－５３７８０号公報

特許文献１に記載の技術では、イオン電流検出回路のバイアス電圧を生成するために、点火コイルの２次側にコンデンサ等の蓄電手段を設置する必要がある。しかしながら、点火コイルの２次側には、１次側の電圧が昇圧されることで数十ｋＶ程度の高電圧が印加される。そのため、高電圧による漏電や故障の危険性がある。

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、点火コイルの２次側に蓄電手段を設置することなく、燃焼中のイオン電流を検知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と、前記気筒内の圧力を演算する筒内圧演算部と、を備え、前記点火コイルは、１次側に配置された１次コイルと、２次側に配置された２次コイルと、を有し、前記１次コイルは、主１次コイルおよび副１次コイルを有し、前記点火制御部は、前記主１次コイルの通電を遮断した後に前記副１次コイルを通電するように、前記点火コイルの通電を制御し、前記筒内圧演算部は、前記副１次コイルの通電中に前記２次コイルに流れる２次電流に基づいて、前記気筒内の圧力を演算する。

本発明によれば、点火コイルの２次側に蓄電手段を設置することなく、燃焼中のイオン電流を検知することができる。

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。 第１の実施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。 第１の実施形態にかかる燃焼圧検知方法を説明するタイミングチャートの一例を示す図である。 第１の実施形態にかか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。 第２の実施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。

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。

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。

なお、一般的な従来の内燃機関では、気筒内の圧力（燃焼圧）を検知するために、圧電式やゲージ式の圧力センサを用いて構成された燃焼圧センサが気筒内に設けられている。しかしながら、制御装置１が制御対象とする内燃機関１００には、こうした燃焼圧センサが設けられていない。そこで、実施の形態にかかる制御装置１では、混合気の燃焼状態に応じて点火プラグ２００の中心電極２１０と外側電極２２０との間に流れるイオン電流を検出し、その検出結果に基づいて、後述するような方法で気筒１５０内の圧力を検知する。これにより、燃焼圧センサを必要とせずに、気筒１５０内の圧力を検知可能な内燃機関用制御装置を実現する。

［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、水温センサ１２２等の各種センサからのアナログ出力信号と、点火プラグ２００の電極間電圧とが入力される。

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および点火プラグ２００の電極間電圧は、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、内燃機関１００の各気筒１５０内の圧力を演算する筒内圧演算部９０と、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、筒内圧演算部９０からの筒内圧情報Ｓ２と、を受け付ける。なお、筒内圧演算部９０は、点火プラグ２００と接続された電流検知部３７０（図４参照）が検出した点火プラグ２００の電極間電流を入力し、この電極間電流に基づいて各気筒１５０内の圧力の演算を行う機能を有する。この筒内圧演算部９０は、全体制御部８１や燃料噴射制御部８２、点火制御部８３等と同様に、ＭＰＵ５０がＲＯＭ６０に記憶された制御プログラムを実行することで、制御装置１において出力回路８０で実現されるものである。

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、筒内圧演算部９０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、筒内圧演算部９０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時間（点火時間）とを算出する。

点火制御部８３は、算出した通電角と、通電開始時間と、点火時間とに基づいて、点火コイル３００の１次側コイルに点火信号ＳＡを出力することで、点火プラグ２００による放電制御（点火制御）を行う。なお、点火コイル３００は、複数のコイルを組み合わせて構成されていてもよい。

なお、少なくとも、点火制御部８３が点火信号ＳＡ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。

［第１の実施形態：点火コイルの電気回路］ 次に、本発明の第１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、本発明の第１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「主１次コイル」、１次側コイル３６０を「副１次コイル」とそれぞれ称する。また、主１次コイル３１０に流れる電流を「主１次電流」、副１次コイル３６０に流れる電流を「副１次電流」とそれぞれ称する。

主１次コイル３１０の一端は、直流電源３３０に接続されている。これにより、主１次コイル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。

主１次コイル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の主１次コイル３１０に点火信号ＳＡが出力され、主１次コイル３１０に主１次電流が流れて電力（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、主１次コイル３１０に流れる主１次電流が遮断されると、主１次コイル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。

点火信号ＳＡにより２次側コイル３２０に発生する高電圧が、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。

副１次コイル３６０の一端は、主１次コイル３１０と共通で直流電源３３０に接続されている。これにより、副１次コイル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。

副１次コイル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の副１次コイル３６０に点火信号ＳＢが出力され、副１次コイル３６０に副１次電流が流れて電力（電気エネルギー）が発生する。

気筒１５０内で燃料（混合気）が燃焼されると、燃料の化学変化に伴うケミカルイオンと、発熱に伴うサーマルイオンとが発生して、点火プラグ２００の電極間の抵抗値を変化させる。このときの電極間の抵抗値は、一般的に燃焼圧と反比例関係にあることが知られている。

点火制御部８３が点火信号ＳＡの出力を停止して主１次コイル３１０の通電を遮断した後、点火プラグ２００の放電により混合気が点火（着火）されると、燃焼期間が開始する。この燃焼期間を含む所定の通電期間中に、点火制御部８３は、点火信号ＳＢをイグナイタ３５０に出力して副１次コイル３６０を通電させ、副１次コイル３６０に流れる副１次電流を変化させるように、点火コイル３００の通電を制御する。これにより、副１次コイル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。この高電圧が点火プラグ２００の電極間に印加されると、燃焼圧に応じて変化する電極間の抵抗値に従って、電極間にイオン電流が流れる。その結果、２次側コイル３２０にイオン電流に応じた２次電流が流れる。

２次側コイル３２０と点火プラグ２００の間には、２次側コイル３２０に流れる２次電流を検知するための電流検知部３７０が設けられている。電流検知部３７０は、検知した２次電流の値を筒内圧演算部９０へ送信する。

前述のように点火信号ＳＢは、燃焼期間を含む通電期間中に点火制御部８３によって出力されるため、このとき電流検知部３７０によって検知された２次電流は、燃焼中のイオン電流を表している。したがって、本実施形態の電気回路４００では、点火コイル３００の２次側にコンデンサ等の蓄電手段を設置しなくても、電流検知部３７０を用いて燃焼中のイオン電流を検知することができる。

筒内圧演算部９０は、点火信号ＳＢの出力中に電流検知部３７０によって検知された２次電流の値を取得することで、燃焼中のイオン電流を取得する。そして、取得したイオン電流の変化を基に、予め定めた数式や変換テーブルを用いて燃焼圧を推定し、内燃機関１００の制御パラメータの補正等に活用する。

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。

［燃焼圧検知の概要］ 次に、本発明の第１の実施形態にかかる燃焼圧検知の概要を説明する。図５は、本発明の第１の実施形態にかかる燃焼圧検知方法を説明するタイミングチャートの一例を示す図である。図５では、気筒１５０内の圧力（燃焼圧）の時間変化と、この圧力変化に伴ってそれぞれ変化する気筒１５０内のイオン量、点火プラグ２００の電極間に発生する２次抵抗Ｒ２、主１次コイル３１０に流れる主１次電流Ｉ１、副１次コイル３６０に流れる副１次電流Ｉ３、２次側コイル３２０に発生する２次電圧Ｖ２、点火プラグ２００の電極間と２次側コイル３２０に流れる２次電流Ｉ２、および副１次コイル３６０に発生する副１次電圧Ｖ３の一例を示している。

燃料（混合気）の燃焼中に発生する気筒１５０内のイオン量は、燃焼圧と比例関係にある。そのため、図５に示すように、気筒１５０内のイオン量の変化を示す波形は、燃焼圧の変化を示す波形と相似形状になる。

点火制御部８３からイグナイタ３４０へ点火信号ＳＡが出力されると、主１次コイル３１０が通電状態となり、直流電源３３０と主１次コイル３１０を含む閉ループが形成される。これにより、主１次電流Ｉ１が時間経過とともに増加して、主１次コイル３１０を充電する。

点火制御部８３からイグナイタ３４０への点火信号ＳＡの出力が遮断されると、主１次コイル３１０は開ループとなり、主１次電流Ｉ１はゼロになる。すると、主１次コイル３１０に蓄積された電気エネルギーが２次側コイル３２０へと伝達され、２次電圧Ｖ２が急激に上昇する。２次電圧Ｖ２が絶縁破壊電圧を超えると、点火プラグ２００の電極間が絶縁破壊して放電が開始され、２次抵抗Ｒ２が急激に低下するとともに、２次電流Ｉ２が急激に上昇する。放電期間中は、時間の経過に伴って、２次電圧Ｖ２および２次電流Ｉ２はそれぞれ次第に低下し、２次抵抗Ｒ２は次第に上昇する。

点火プラグ２００の放電開始後、燃料（混合気）への着火が行われて燃焼期間が開始すると、気筒１５０内の圧力は燃焼圧によって上昇する。この燃焼期間中には、前述のように、燃料の化学変化に伴うケミカルイオンと、発熱に伴うサーマルイオンとが発生することで、２次抵抗Ｒ２が変化する。

点火制御部８３は、点火信号ＳＡがＯＦＦになって点火プラグ２００の放電が開始された後、上記燃焼期間を含む所定の期間において、イグナイタ３５０へ点火信号ＳＢを出力する。このとき点火制御部８３は、副１次コイル３６０に流れる副１次電流Ｉ３が、図５において破線で示した目標電流と一致するように、点火信号ＳＢの出力期間を制御する。

点火制御部８３からイグナイタ３５０へ点火信号ＳＢが出力されると、副１次コイル３６０が通電状態となり、直流電源３３０と副１次コイル３６０を含む閉ループが形成される。これにより、副１次電流Ｉ３および副１次電圧Ｖ３が上昇し、副１次電流Ｉ３の変化に伴って誘起された電圧が２次側コイル３２０に印加されることで、２次電圧Ｖ２および２次電流Ｉ２も上昇する。

燃焼期間中は、イオン電流の変化に伴って２次電流Ｉ２が変化する。この２次電流Ｉ２の変化が電磁誘導によって２次側コイル３２０から副１次コイル３６０に伝達されることで、副１次電流Ｉ３に変動が生じる。

［第１の実施形態：点火コイルの放電制御フロー］ 次に、上記の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６は、本発明の第１の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６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６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６のフローチャートに示す処理を実施する。

ステップＳ１０１において、図６のフローチャートを開始する。

ステップＳ１０２において、点火制御部８３は、着火用の点火信号ＳＡを出力する。このとき点火制御部８３は、目標充電量に基づいて点火信号ＳＡのパルス幅を設定し、そのパルス幅に応じた点火信号ＳＡを着火用点火信号としてイグナイタ３４０へ出力する。ここで、点火制御部８３は、回転数情報生成部８６からのエンジン回転数情報Ｓ５が表すエンジン回転数や、負荷情報生成部８８からのエンジン負荷情報Ｓ７が表すエンジン負荷に基づき、点火コイル３００の目標充電量を設定する。例えば、制御装置１においてＲＯＭ６０に記憶されているマップ情報を参照することにより、エンジン回転数やエンジン負荷に応じた目標充電量を設定することができる。

点火信号ＳＡの出力期間が規定のパルス幅に到達したら、ステップＳ１０３において、点火制御部８３は、点火信号ＳＡの出力を停止して、主１次コイル３１０に流れる主１次電流を遮断する。主１次電流が遮断されると、主１次コイル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に発生し、点火プラグ２００の中心電極２１０と外側電極２２０の間に電位差が発生する。この電位差が、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。

ステップＳ１０４において、点火制御部８３は、２次電流検出用の点火信号ＳＢを出力する。点火信号ＳＢがイグナイタ３５０を介して点火コイル３００の副１次コイル３６０に出力されると、副１次コイル３６０に副１次電流が流れて電力（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、副１次コイル３６０に流れる副１次電流が変化すると、副１次コイル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。これにより、気筒１５０内の圧力が燃焼圧によって上昇する燃焼期間中に、点火プラグ２００の中心電極２１０と外側電極２２０の間に高電圧が印加される。

ステップＳ１０５では、電流検知部３７０により、２次側コイル３２０に流れる２次電流を検出する。検出した２次電流値は、電流検知部３７０から筒内圧演算部９０へ出力される。

ステップＳ１０６では、筒内圧演算部９０により、ステップＳ１０５で検出した２次電流値に基づいて、燃焼期間中の気筒１５０内の圧力、すなわち燃焼圧（筒内圧）を演算する。これにより、イオン電流に基づく燃焼圧の推定が行われる。ステップＳ１０６で得られた燃焼圧の演算結果は、前述のように、内燃機関１００の制御パラメータの補正等に利用される。なお、前述のように気筒１５０内のイオン量は、燃焼圧と比例関係にある。また、気筒１５０内のイオン量が増加するほど、ステップＳ１０５で２次電流として検出されるイオン電流は大きくなる。そのため、筒内圧演算部９０はステップＳ１０６において、ステップＳ１０５で検出した２次電流が大きいほど気筒１５０内の圧力が高くなるように、燃焼期間中の気筒１５０内の圧力を演算することが好ましい。

ステップＳ１０７において、点火制御部８３は、ステップＳ１０４で点火信号ＳＢの出力を開始してからの経過時間が、予め定めた副１次コイル３６０の通電期間を経過したか否かを判定する。副１次コイル３６０の通電期間をまだ経過していなければ、点火信号ＳＢの出力を継続してステップＳ１０５に戻り、イオン電流に基づく燃焼圧の推定を続ける。副１次コイル３６０の通電期間を経過済みである場合は、ステップＳ１０８に進む。

なお、副１次コイル３６０の通電期間は、検知対象とする燃焼パラメータやエンジン回転数などによって決まる。例えば、燃焼重心時期を検出する場合は、上死点後１５０°付近までの間についての２次電流検知が必要であるため、これに応じて副１次コイル３６０の通電期間を設定する。また例えば、燃焼圧力の最大値やその時期を検知したい場合は、上死点後６０°付近までの間についての２次電流検知が必要であるため、これに応じて副１次コイル３６０の通電期間を設定する。これ以外にも、副１次コイル３６０の通電期間を任意の値で設定することができる。

ステップＳ１０８において、点火制御部８３は、点火信号ＳＢの出力を停止し、副１次コイル３６０の通電を終了する。

ステップＳ１０９において、図６の処理フローを終了する。

以上説明した本発明の第１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。点火コイル３００は、１次側に配置された１次コイルと、２次側に配置された２次コイル３２０とを有し、１次コイルは、主１次コイル３１０および副１次コイル３６０を有する。点火制御部８３は、主１次コイル３１０の通電を遮断した後に副１次コイル３６０を通電するように、点火コイル３００の通電を制御する。このようにしたので、気筒１５０内の圧力が燃焼圧によって上昇する燃焼期間中に、点火プラグ２００の中心電極２１０と外側電極２２０の間に電圧を印加することができる。したがって、点火コイル３００の２次側に蓄電手段を設置することなく、燃焼中のイオン電流を検知することができる。

（２）制御装置１は、副１次コイル３６０の通電中に２次コイル３２０に流れる２次電流に基づいて、気筒１５０内の圧力を演算する筒内圧演算部９０を備える。このようにしたので、燃焼中のイオン電流を表す２次電流に基づき、気筒１５０内の圧力を正確に演算することができる。

（３）制御装置１は、２次電流を検知する電流検知部３７０を備える。筒内圧演算部９０は、電流検知部３７０が副１次コイル３６０の通電中に検知した２次電流の値に基づいて、気筒１５０内の圧力を演算する（ステップＳ１０６）。このようにしたので、燃焼中のイオン電流を表す２次電流を確実に検知し、これに基づいて気筒１５０内の圧力を演算することができる。

（４）筒内圧演算部９０は、ステップＳ１０６において、２次電流が大きいほど気筒１５０内の圧力が高くなるように、気筒１５０内の圧力を演算する。このようにしたので、２次電流の変化に応じた気筒１５０内の圧力変化を正しく推定することができる。

（５）点火制御部８３は、副１次コイル３６０の通電期間が、主１次コイル３１０から供給される電気エネルギーによる点火プラグ２００の放電が終了してから燃料の燃焼が終了するまでの燃焼期間を少なくとも含むように、点火コイル３００の通電を制御する（ステップＳ１０４～Ｓ１０８）。このようにしたので、燃焼中のイオン電流を表す２次電流を確実に検知できるように、副１次コイル３６０の通電期間を設定して点火コイル３００の通電制御を行うことができる。

［第２の実施形態：点火コイルの電気回路］ 次に、本発明の第２の実施形態にかかる点火コイル３００を含む電気回路４００Ａを説明する。

図７は、本発明の第２の実施形態にかかる点火コイル３００を含む電気回路４００Ａを説明する図である。本実施形態では、点火コイル３００は、第１の実施形態で説明した図４と同様の構成を有している。すなわち、本実施形態の点火コイル３００も、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（主１次コイル３１０、副１次コイル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。

本実施形態において、電気回路４００Ａは、第１の実施形態で説明した電気回路４００と比べて、電流検知部３７０に替えて電圧検知部３８０が設けられている点が異なっている。電圧検知部３８０は、イグナイタ３５０のコレクタ電圧（コレクタとエミッタ間の電圧）を検知し、その電圧値を筒内圧演算部９０へ送信する。

２次側コイル３２０に流れる２次電流の変化は、電磁誘導により副１次コイル３６０に伝達されることで、イグナイタ３５０のコレクタ電圧の変化を引き起こす。そのため、本実施形態の電気回路４００Ａでは、電圧検知部３８０によりイグナイタ３５０のコレクタ電圧を検知することで、２次電流を間接的に検出することができるようにしている。

筒内圧演算部９０は、点火信号ＳＢの出力中に電圧検知部３８０によって検知されたイグナイタ３５０のコレクタ電圧の値を取得することで、燃焼中のイオン電流の変化を取得する。そして、第１の実施形態と同様に、取得したイオン電流の変化を基に、予め定めた数式や変換テーブルを用いて燃焼圧を推定し、内燃機関１００の制御パラメータの補正等に活用する。

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、主１次コイル３１０から２次側コイル３２０に印加される高電圧に電流検知部３７０が対応できない場合でも、低電圧環境において間接的に２次電流を検出することが可能となる。したがって、第１の実施形態で説明したのと同様の作用効果を奏することができる。

なお、以上説明した各実施形態において、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。

以上説明した各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、９０：筒内圧演算部、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、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：主１次コイル、３２０：２次側コイル、３３０：直流電源、３４０，３５０：イグナイタ、３６０：副１次コイル、３７０：電流検知部、３８０：電圧検知部、４００，４００Ａ：電気回路

Claims (4)

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と、
   前記気筒内の圧力を演算する筒内圧演算部と、を備え、
   前記点火コイルは、１次側に配置された１次コイルと、２次側に配置された２次コイルと、を有し、
   前記１次コイルは、主１次コイルおよび副１次コイルを有し、
   前記点火制御部は、前記主１次コイルの通電を遮断した後に前記副１次コイルを通電するように、前記点火コイルの通電を制御し、
   前記筒内圧演算部は、前記副１次コイルの通電中に前記２次コイルに流れる２次電流に基づいて、前記気筒内の圧力を演算する内燃機関用制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関用制御装置において、
   前記２次電流を検知する電流検知部を備え、
   前記筒内圧演算部は、前記電流検知部が前記副１次コイルの通電中に検知した前記２次電流の値に基づいて、前記気筒内の圧力を演算する内燃機関用制御装置。
3. 請求項１に記載の内燃機関用制御装置において、
   前記筒内圧演算部は、前記２次電流が大きいほど前記気筒内の圧力が高くなるように、前記気筒内の圧力を演算する内燃機関用制御装置。
4. 請求項１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、前記副１次コイルの通電期間が、前記主１次コイルから供給される電気エネルギーによる前記点火プラグの放電が終了してから前記燃料の燃焼が終了するまでの燃焼期間を少なくとも含むように、前記点火コイルの通電を制御する内燃機関用制御装置。

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