JP7454109B2 - 内燃機関制御装置及び点火機関の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関制御装置及び点火機関の制御方法に関する。

近年、排気ガス規制の強化に伴って、内燃機関における排気触媒（三元触媒）の性能向上が求められている。内燃機関の排気触媒では、プラチナなどの高価な貴金属が使用されている。そのため、排気ガス規制が強化されるに従って、排気性能向上のため多くの貴金属を使用する必要があり、排気触媒の製造コストが増加してしまう。

この種の内燃機関では、温度が外気温よりも低い冷機始動時に多量の炭化水素（Hydrocarbon：ＨＣ）が発生する。冷機始動時に炭化水素が発生する要因は、主に２つある。１つ目は、筒内温度が低いことにより、燃料の気化が遅れて、一部の燃料が燃焼完了後に気化することである。燃焼完了後に気化した燃料は、酸化されないまま炭化水素として排出される。２つ目は、点火時期までに気化される燃料が減り、筒内の空燃比が大きくなる（燃料が希薄化する）ことである。この場合は、要求点火エネルギーが増大して、失火が増えることにより、炭化水素が増える。そのため、冷機始動時の炭化水素の発生を抑えることにより、排気触媒で用いられる貴金属の量を減らし、排気触媒の製造コストを削減することができる。

しかしながら、内燃機関では、冷機始動時の点火装置（点火プラグ）の点火不良（消炎）を防止するため、冷機始動時の燃料の噴射量を多くする制御が行われる。この結果、冷機始動時の炭化水素の発生量が増加し、排気触媒のコスト削減が困難になる。

特許文献１には、内燃機関の１燃焼サイクルにおいて、通常の点火タイミングとは異なるタイミング（燃料噴射開始前）で複数回の点火を行うことで、点火プラグ電極の温度低下を防止する内燃機関用点火装置が開示されている。

国際公開第２０１９／０８７７４８号

しかしながら、特許文献１に開示された内燃機関点火装置は、筒内ガスの加熱はできない。そのため、燃料の気化遅延を改善できず、失火や発生した炭化水素を低減することはできない。したがって、内燃機関の冷機始動時の炭化水素の発生を抑えることはできず、排気触媒の製造コストの削減が困難となる。

本発明は、上記の問題点を考慮し、内燃機関の冷機始動時における炭化水素の発生を抑えることを目的とする。

上記課題を解決し、本目的を達成するため、本発明の内燃機関制御装置は、気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、気筒内に配置された点火電極を有する点火プラグと、点火プラグに接続された点火コイルと、点火コイルに通電信号を出力する制御部と、を備えた内燃機関を制御する。制御部は、少なくとも初爆のための燃料噴射後に、点火信号を点火コイルに出力し、次に、失火救済のために第１周期の通電信号を前記点火コイルに出力し、点火成功後に、前記第１周期よりも短い第２周期の通電信号を前記点火コイルに出力する。

本発明によれば、内燃機関の冷機始動時における炭化水素の発生を抑えることができる。

一実施形態に係る内燃機関の基本構成例を示す全体構成図である。 一実施形態に係る点火プラグを説明する部分拡大図である。 一実施形態に係る内燃機関の制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。 排気濃度と空燃比との関係を説明する図である。 一実施形態に係る点火コイルを含む電気回路の一例を説明する回路図である。 多重点火の放電波形例である。 空燃比と要求点火エネルギーの関係を説明する図である。 失火防止を目的とした、点火信号制御のタイミングチャートの例である。 筒内で発生したＨＣを低減することを目的とした、点火信号制御のタイミングチャートの例である。 放電回数とＨＣ排出量の関係を説明する図である。 図１１は、失火防止とＨＣ低減のトレードオフ解消を目的とした、放電周期切替制御のタイミングチャートの例である。 本発明に係る放電周期切替処理の例を示すフローチャートである。 一般的な受動式点火コイルの充放電の時間配分を説明する図である。

＜実施形態＞
以下、実施の形態例にかかる内燃機関制御装置について説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。

［内燃機関システム］
まず、一実施形態に係る内燃機関システムの構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の基本構成例を示す全体構成図である。

図１に示す内燃機関１００は、単気筒でも複数気筒を有するものでもよいが、実施形態では、４気筒を有する内燃機関１００を例示して説明する。

図１に示すように、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を通流する。吸気マニホールド１１２を通った空気は、吸気弁１５１が開いたときに各気筒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により調整される。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。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。

本実施形態では、スロットル弁１１３として、電動機で駆動される電子スロットル弁を適用する。しかし、本発明に係るスロットル弁としては、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を適用してもよい。

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。クランク角センサ１２１は、クランクシャフト１２３の回転角度を検出する。本実施形態では、クランク角センサ１２１は、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。水温センサ１２２は、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。アクセルポジションセンサ１２６は、運転者の要求トルクを検出する。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、後述する内燃機関制御装置１に出力される。内燃機関制御装置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る。燃料ポンプ１３１によって吸引及び加圧された燃料は、燃料配管１３３に設けられたプレッシャレギュレータ１３２で所定の圧力に調整される。そして、所定の圧力に調整された燃料は、燃料噴射装置（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で圧力調整された後の余分な燃料は、戻り配管（図示せず）を介して燃料タンク１３０に戻される。

燃料噴射装置１３４の制御は、後述する内燃機関制御装置１の燃料噴射制御部８２（図３参照）の燃料噴射パルス（制御信号）に基づいて行われる。

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（Cylinder Pressure 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、例えば、圧電式又はゲージ式の圧力センサが適用されている。これにより、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。

各気筒１５０には、排気弁１５２と、排気マニホールド１６０が取り付けられている。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。排気マニホールド１６０は、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の排気側には、三元触媒１６１が設けられている。三元触媒１６１は、排気ガスを浄化する。三元触媒１６１により浄化された排気ガスは、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。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。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。本実施形態の下流側空燃比センサ１６３は、Ｏ２センサである。

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は、放電（点火）により火花を発生させ、その火花が、気筒１５０内の空気と燃料との混合気に着火する。これにより、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。

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、内燃機関制御装置１（以下、「制御装置１」とする）に出力される。制御装置１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の運転状態を検出する。そして、制御装置１は、気筒１５０内に送出する空気量、燃料噴射装置１３４からの燃料噴射量、点火プラグ２００の点火タイミング等の制御を行う。

［点火プラグ］
次に、点火プラグ２００について、図２を参照して説明する。
図２は、点火プラグ２００を説明する部分拡大図である。

図２に示すように、点火プラグ２００は、中心電極２１０と、外側電極２２０とを有している。中心電極２１０は、絶縁体２３０を介してプラグベース（不図示）に支持されている。これにより、中心電極２１０は、絶縁されている。外側電極２２０は接地されている。

点火コイル３００（図１参照）において電圧が発生すると、中心電極２１０に所定の電圧（例えば２０，０００Ｖ～４０，０００Ｖ）が印加される。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。そして、放電により発生した火花が、気筒１５０内の空気と燃料との混合気に着火する。

なお、気筒１５０内におけるガス成分の絶縁破壊を起こして放電（点火）が発生する電圧は、中心電極２１０と外側電極２２０との間に存在する気体（ガス）の状態や気筒１５０の筒内圧に応じて変動する。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（図３参照）により行われる。

［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／Ｄｉｇｉｔａ）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、筒内圧センサ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る。そして、Ａ／Ｄ変換部３０により変換されたデジタル信号は、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が接続されている。デジタル入力部２０に入力されたデジタル出力信号は、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、その制御値を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、全体制御部８１、燃料噴射制御部８２、点火制御部８３などの機能が設けられている（図３参照）。全体制御部８１は、各種センサ（例えば、筒内圧センサ１４０）からの出力信号に基づいて内燃機関の全体制御を行う。燃料噴射制御部８２は、燃料噴射装置１３４のプランジャロッド（不図示）の駆動を制御する。点火制御部８３は、点火プラグ２００に印加する電圧を制御する。

［制御装置の機能ブロック］
次に、制御装置１の機能構成を、図３を参照して説明する。
図３は、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。

制御装置１の各機能は、ＭＰＵ５０がＲＯＭ６０記憶された制御プログラムを実行することにより、出力回路８０における各種機能として実現される。出力回路８０における各種機能は、例えば、燃料噴射制御部８２による燃料噴射装置１３４の制御や、点火制御部８３による点火プラグ２００の放電制御がある。

図３に示すように、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］
全体制御部８１は、アクセルポジションセンサ１２６と、筒内圧センサ１４０（ＣＰＳ）に接続されている。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、筒内圧センサ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］
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、に接続されている。燃料噴射制御部８２は、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、に接続されている。燃料噴射制御部８２は、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、燃料噴射装置１３４から噴射される燃料の噴射量と噴射時間を算出する。そして、燃料噴射制御部８２は、算出した燃料の噴射量と噴射時間とに基づいて生成した燃料噴射パルス（ＩＮＪ信号）Ｓ９を燃料噴射装置１３４に送信する。

［点火制御部］
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３１０（図８参照）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３１０に通電した電流を遮断する時間（点火時間）を算出する。

点火制御部８３は、算出した通電量と、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３１０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。

［排気濃度と空燃比］
次に、排気濃度と空燃比との関係について、図４を参照して説明する。
図４は、排気濃度と空燃比との関係を説明する図である。

図４に示すように、理論空燃比近傍では、燃焼温度が高いため、ＮＯｘ濃度が高くなる。一方、ＨＣ濃度は、燃料が完全燃焼する理論空燃比近傍で低くなる。空燃比が大きくなる（燃料が薄くなる）と、燃焼温度が低下するため、ＮＯｘ濃度は低減する。しかし、ＨＣ濃度は、燃焼温度の低下に伴って増大する。

［点火コイルを含む電気回路］
次に、点火コイルを含む電気回路について、図５を参照して説明する。
図５は、点火コイルを含む電気回路を説明する図である。

図５に示す電気回路５００は、点火コイル３００を有している。点火コイル３００は、所定の巻き数で巻かれた１次側コイル３１０と、１次側コイル３１０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。

１次側コイル３１０の一端は、直流電源３３０に接続されている。これにより、１次側コイル３１０には、所定の電圧（例えば１２Ｖ）が印加される。１次側コイル３１０の他端は、イグナイタ（通電制御回路）３４０のドレイン（Ｄ）端子に接続されており、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のゲート（Ｇ）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のゲート（Ｇ）端子に入力される。イグナイタ３４０のゲート（Ｇ）端子に点火信号ＳＡが入力されると、イグナイタ３４０のドレイン（Ｄ）端子とソース（Ｓ）端子間が通電状態となり、ドレイン（Ｄ）端子とソース（Ｓ）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次側コイル３１０に点火信号ＳＡが出力される。その結果、１次側コイル３１０に電流が流れて電力（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の出力が停止すると、１次側コイル３１０に流れる電流が遮断される。その結果、１次側コイル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。

２次側コイル３２０に発生する高電圧は、点火プラグ２００の中心電極２１０（図５参照）に印加される。これにより、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る。その結果、燃料（混合気）への点火（着火）が行われる。点火プラグ２００と、点火コイル３００を有する電気回路５００は、本発明に係る点火機関に対応する。

中心電極２１０と外側電極２２０の間に発生する放電経路は、数千℃の高温となる。放電経路は、周囲ガスと電極２１０，２２０に接しているため、放電の発熱エネルギーは、周囲ガスと電極２１０，２２０へ分配される。そして、周囲ガスへ分配された分の発熱エネルギーは、周囲ガスを加熱して着火を促進する。

［多重点火の放電波形］
次に、多重点火の放電波形について、図６を参照して説明する。
図６は、多重点火の放電波形例である。

図６に示すように、通常の点火時期の放電（放電開始）後に、点火信号のＯＮとＯＦＦを繰り返すことで、複数回の放電を追加して多重点火を行うことができる。この追加放電による多重点火は、燃料噴射開始まで継続できる。

［空燃比と要求点火エネルギー］
次に、空燃比と要求点火エネルギーについて、図７を参照して説明する。
図７は、空燃比と要求点火エネルギーの関係を説明する図である。

図７に示すように、理論空燃比近傍では、点火に必要な最小点火エネルギーである要求点火エネルギーが小さくなる。一方、理論空燃比よりも空燃比が大きくなる（燃料が希薄化する）と、要求点火エネルギーが増大する。また、理論空燃比よりも空燃比が小さくなる（燃料が濃くなる）と、要求点火エネルギーが増大する。

［失火防止の点火信号制御］
次に、失火防止をする場合の点火信号制御について、図８を参照して説明する。
図８は、失火防止を目的とした、点火信号制御のタイミングチャートの例である。

冷機始動では、筒内（気筒内）温度が低いことにより、燃料の気化が遅れる。その結果、一部の燃料は、燃焼完了後に気化する。点火時期までに気化される燃料が減ることで、点火時期における筒内の空燃比が大きくなる。上述したように、空燃比が大きくなると、点火に必要な要求点火エネルギーが増大する（図７参照）。

要求点火エネルギーが増大した場合は、点火エネルギー不足により失火して、未燃ガスが排出される。失火を防止するには、電極間ガスの空燃比が小さい（燃料が濃い）時期に放電する。これにより、要求点火エネルギーを低減することができるため、点火エネルギー不足にならず、失火を防ぐことが可能である。

しかし、筒内ガスの空燃比分布を予測することは困難である。そのため、点火エネルギーを低下させずに追加放電（失火救済）を繰り返すことで、点火する確率を向上させることが有効である。なお、追加放電とは、燃料噴射後に最初に行う放電（初回点火）後に追加して行われる複数の放電である。追加放電が必要な時期は、ピストン１７０の上死点前後であり、燃焼室容積が縮小するため、筒内圧力が高い。

このような高圧と希薄ガスの環境で点火するためには、所定値以上の点火エネルギーを確保する必要がある。そして、点火エネルギーの低下を防ぐためには、充電時間を確保する必要がある。そして、充電時間を確保するためには、点火信号の放電周期を所定の放電周期に設定する必要がある。すなわち、失火を防止するには、図８に示すように、点火信号の放電周期を所定の周期（以下、「第１周期」とする）に設定して、追加放電における１回の放電あたりの点火エネルギーを所定値以上にする必要がある。

［ＨＣ低減の点火信号制御］
次に、ＨＣ低減をする場合の点火信号制御について、図９を参照して説明する。
図９は、筒内で発生したＨＣを低減することを目的とした、点火信号制御のタイミングチャートの例である。

上述したように、冷機始動では、筒内（気筒内）温度が低いことにより、燃料の気化が遅れる。その結果、一部の燃料は、燃焼完了後に気化する。気化遅延による筒内の未燃ガスは、燃焼に伴う発熱によって気化が促進される。その結果、未燃ガスは、膨張行程以降で増大する。そして、膨張行程以降は、燃焼室容積が増大するため、筒内圧力が低くなる。

未燃ガスは、筒内に投入された燃料全体のうちの一部であるため、ガス濃度は低い。そのため、未然ガスの点火による発熱が小さくなり、追加放電による酸化の連鎖反応は生じない。未燃ガスの酸化を促進させるには、筒内に散在する未燃ガスと電極２１０，２２０の間に発生する放電経路との接触機会を増やすとよい。

しかし、膨張行程以降の筒内環境は、低流速である。すなわち、吸入行程で生じた筒内のタンブル流動は、時間経過や燃焼室容積の縮小により低下する。そして、筒内が低流速の環境では、放電経路を伸長しても、放電経路と未然ガスの接触機会を増やすことが難しい。

また、未燃ガスの酸化を促進するための追加放電（ＨＣ筒内後処理）が必要な時期は、燃焼終了後であるため、筒内圧力が低い。そして、低圧環境の筒内で放電するために必要な要求点火エネルギーは、高圧環境に比べて低くなる。そのため、発生したＨＣを参加させて低減するには、図９に示すように、点火信号の放電周期を第１周期（図８に示す失火救済のための所定の周期）よりも短い第２周期にして、放電回数を増加するとよい。

第1周期及び第２周期は、それぞれの要求点火エネルギー、点火コイル３００の応答性、ノイズフィルタの性能等に応じて適宜決定する。パルス幅が小さくなると、ノイズと制御信号の区別がつかなくなる。そのため、ノイズフィルタの性能に応じて最小のパルス幅が決まる。そして、最小のパルス幅が決まると、最小の放電周期が決まる。

［放電回数とＨＣ排出量］
次に、放電回数とＨＣ排出量の関係について、図１０を参照して説明する。
図１０は、放電回数とＨＣ排出量の関係を説明する図である。

図１０は、放電周期を変化させた際の、放電回数とＨＣ排出量の計測結果を示している。計測には、単気筒ガソリンエンジンを用いた。運転条件としては、エンジン回転速度を１５００［ｒｐｍ］、平均有効圧力を６．４［ｂａｒ］とした。図１０に示すように、放電周期を短くして放電回数を増やすと、ＨＣ排出量を低減することができる。

［放電周期切替制御］
次に、失火防止とＨＣ低減を実現する放電周期切替制御について、図１１を参照して説明する。
図１１は、失火防止とＨＣ低減のトレードオフ解消を目的とした、放電周期切替制御のタイミングチャートの例である。

失火防止のためには、比較的長周期である第１周期の放電が必要である（図８参照）。一方、ＨＣ低減のためには、比較的短周期である第２周期の放電が必要である（図９参照）。つまり、失火防止とＨＣ低減には、トレードオフが生じる。

トレードオフを解消するには、図１１に示すように、燃料噴射が行われた後、点火成功（初爆）前後で点火信号の放電周期を切り替える必要がある。そこで、本実施形態では、点火成功前後で点火信号の放電周期を切り替える放電周期切替制御を行う。本発明に係る放電周期を切り替えは、初爆工程における膨張行程もしくは排気工程のいずれかで行う。

放電周期切替制御を行うことにより、失火防止とＨＣ低減のトレードオフを解消することができる。すなわち、内燃機関１００の冷機始動時における炭化水素（ＨＣ）の発生を抑えると共に、失火を防止することができる。

ところで、ガスの筒内流動にはサイクル変動がある。そのため、電極２１０，２２０付近へ着火性が高いガスが到達する時期の再現性が低い。したがって、点火成功（初爆）時期を予め予測することは困難である。そのため、本実施形態では、リアルタイムで筒内圧力を検知して、筒内圧力の絶対値、或いは初回点火時期の圧力からの変化量（圧力変化）から点火成功時期を検出する。これにより、点火成功時期を高精度に検出することができる。

筒内圧力の検知は、例えば、上述した燃焼圧センサ１４０（図１参照）を用いてもよい。また、筒内圧力の検知は、特開２０１９－２１０８２７号公報に記載されているように、点火プラグ２００流れる電流、及び点火プラグ２００の電極２１０，２２０間の電圧に基づいて、筒内圧力を算出する方法を採用してもよい。

具体的には、放電毎の点火コイル３００の２次電圧と２次電流のピーク値を検出し、以下の式（１）により算出する。なお、式（１）において、Ｖｓは放電時の電極間電圧、ｐは筒内圧、ｄは電極間距離をそれぞれ表し、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ定数を表す。
Ｖｓ＝Ｂｐｄ／｛ｌｎ（Ａｐｄ）＋Ｃ｝ ・・・（１）

このように、２次電圧と２次電流のピーク値から筒内圧力を算出する場合は、各気筒１５０内に燃焼圧センサ１４０を設ける必要が無く、内燃機関１００のコスト削減を図ることができる。

［放電周期切替処理］
次に、本実施形態に係る放電周期切替処理について、図１２を参照して説明する。
図１２は、放電周期切替処理の例を示すフローチャートである。

図１２に示す放電周期切替処理は、燃料噴射後の初回点火の点火信号がＯＮからＯＦＦへ変わり、初回点火の放電開始と同時に開始する。そして、放電周期切替処理は、初回点火の放電開始から次の燃料噴射開始までの間、繰り返し実施される。

まず、点火制御部８３（図３参照）は、失火防止を目的とした第１放電パターンを設定する（Ｓ１０１）。第１放電パターンの放電周期は、前述の第１周期である。すなわち、点火制御部８３は、筒内が高圧、且つ高流速の環境で点火が成功するために必要な、放電周期と充電時間を設定する。

次に、点火制御部８３は、燃料噴射が行われたか否かを判定する（Ｓ１０２）。すなわち、点火制御部８３は、燃料噴射信号がＯＮであれば、燃料噴射が行われたと判定し、燃料噴射信号がＯＦＦであれば、燃料噴射が行われていないと判定する。なお、点火制御部８３は、燃料噴射信号のＯＮ・ＯＦＦ情報を全体制御部８１から得る。Ｓ１０２において、燃料噴射が行われたと判定したとき（Ｓ１０２がＹＥＳ判定の場合）、点火制御部８３は、追加放電を停止して放電周期切替処理を終了する。

Ｓ１０２において、燃料噴射が行われていないと判定したとき（Ｓ１０２がＮＯ判定の場合）、点火制御部８３は、設定されている放電パターンに従った点火信号を出力して、追加放電（充放電）を繰り返す（Ｓ１０３）。

次に、点火制御部８３は、筒内圧力を検知する（Ｓ１０４）。本実施形態では、放電時の２次電圧と２次電流を検出して、２次電圧と２次電流のピーク値を圧力換算式（上述の式（１））へ代入して筒内圧力を算出する。

次に、点火制御部８３は、着火（点火成功）したか否かを判定する（Ｓ１０５）。この処理において、点火制御部８３は、Ｓ１０４で検知した圧力の絶対値、或いは初回点火時期の圧力からの変化量と、予め定めた閾値を比較し、閾値以上である場合に、着火したと判定する。一方、点火制御部８３は、Ｓ１０４で検知した圧力の絶対値、或いは初回点火時期の圧力からの変化量が、予め定めた閾値未満である場合に、着火していないと判定する。

Ｓ１０５において、着火していないと判定したとき（Ｓ１０５がＮＯ判定の場合）、点火制御部８３は、処理をＳ１０３に移す。一方、Ｓ１０５において、着火したと判定したとき（Ｓ１０５がＹＥＳ判定の場合）、点火制御部８３は、筒内で発生するＨＣの低減を目的とした第２放電パターンを設定する（Ｓ１０６）。

第２放電パターンの放電周期は、前述の第２周期である。すなわち、筒内が低圧、且つ低流速の環境で未燃ガスの酸化を促進するために必要な、放電周期と充電時間に設定する。Ｓ１０６の処理後、点火制御部８３は、燃料噴射が開始されるまで、第２放電パターンに従った点火信号を出力する。例えば、第１放電パターンに従った点火信号による充放電が１回行われた後に、着火したと判定した場合は、１回の失火防止を目的とした追加放電後に、ＨＣの低減を目的とした追加放電が繰り替えされる。

［点火信号のＤＵＴＹ比］
次に、点火信号のＤＵＴＹ比について、図１３を参照して説明する。
図１３は、一般的な受動式点火コイルの充放電の時間配分を説明する図である。

点火コイル３００の変換特性上、充電が実施されている時間よりも放電が実施されている時間の方が短い。そのため、点火信号のＤＵＴＹ比を５０％にすると、点火コイル３００の時間稼働率が低下して、発熱エネルギーを効率よく得られない。

図１３に示すように、本実施形態では、追加放電（第１放電パターン及び第２放電パターン）におけるＤＵＴＹ比を、点火コイル３００の充放電時間比とする。これにより、点火コイル３００の稼働率を最大化することができ、放電の発熱エネルギーを最大化することができる。なお、初回点火の放電におけるＤＵＴＹ比も、点火コイル３００の充放電時間比としてもよい。

また、追加放電におけるＤＵＴＹ比を、点火コイル３００の充放電時間比とすることで、点火コイル３００の発熱が増大する。そこで、実測や推定による点火コイル３００の温度に応じて、ＤＵＴＹ比を変化させてもよい。例えば、点火コイル３００の温度が予め定めた所定温度以上である場合は、点火コイル３００の時間稼働率が低下すようにＤＵＴＹ比を変化させる。これにより、点火コイル３００の過熱を防止することができる。点火コイル３００の温度は、例えば、イグナイタ３４０の温度から推定してもよい。

このように、本実施形態に係る内燃機関制御装置１は、気筒１５０内に燃料を噴射する燃料噴射装置１３４（インジェクタ）と、気筒１５０内に配置された電極２１０，２２０（点火電極）を有する点火プラグ２００と、点火プラグ２００に接続された点火コイル３００とを備えた内燃機関１００を制御する。内燃機関制御装置１は、点火コイル３００に通電信号（点火信号）を出力する点火制御部８３（制御部）を有する。点火制御部８３は、少なくとも初爆のための燃料噴射後に、第１周期の通電信号を点火コイル３００に出力し、点火成功後に、第１周期よりも短い第２周期の通電信号を点火コイル３００に出力する。これにより、失火防止とＨＣ低減のトレードオフを解消することができる。すなわち、内燃機関１００の冷機始動時における炭化水素（ＨＣ）の発生を抑えると共に、失火を防止することができる。

また、点火制御部８３（制御部）は、気筒１５０内の圧力（筒内圧力）が予め定めた閾値を越えた場合に、点火成功を検知する。これにより、点火成功時期を高精度に検出することができる。

また、点火制御部８３（制御部）は、点火プラグ２００による放電毎の点火コイル３００の２次電圧と２次電流の値から気筒１５０内の圧力（筒内圧力）を算出する。これにより、各気筒１５０内に燃焼圧センサ１４０を設けなくても、気筒１５０内の圧力を検出することできる。その結果、内燃機関１００のコスト削減を図ることができる。

また、点火制御部８３（制御部）は、初爆工程における膨張行程もしくは排気工程のいずれかで通電信号の周期を第１周期から第２周期に変更する。これにより、失火防止を目的とした追加放電と、筒内で発生したＨＣを低減することを目的とした追加放電を、適切な時期に行うことができる。

また、点火制御部８３（制御部）は、点火コイル３００の温度に応じて、通電信号のＤＵＴＹ比を変更する。これにより、点火コイル３００の過熱を防止することができる。その結果、点火コイル３００の故障を防止することができる。

また、本実施形態に係る点火機関は、気筒１５０内に配置された電極２１０，２２０（点火電極）を有する点火プラグ２００と、点火プラグ２００に接続された点火コイル３００を有する。この点火機関の制御方法は、少なくとも初爆のための燃料噴射後に、第１周期の通電信号を点火コイル３００に出力し、点火成功後に、第１周期よりも短い第２周期の通電信号を点火コイル３００に出力する。これにより、失火防止とＨＣ低減のトレードオフを解消することができる。すなわち、内燃機関１００の冷機始動時における炭化水素（ＨＣ）の発生を抑えると共に、失火を防止することができる。

本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。

また、上述した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば、上述した実施形態では、初爆のための燃料噴射後に、放電周期切替制御を行う例を説明した。しかし、本発明に係る放電周期切替制御は、少なくとも初爆のための燃料噴射後に実施すればよく、それ以外の燃料噴射後においてで実施することもできる。

１…内燃機関制御装置、 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…燃料噴射装置、 １４０…筒内圧センサ、 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次側コイル、 ３２０…２次側コイル、 ３３０…直流電源、 ３４０…イグナイタ、 ５００…電気回路

Claims (6)

1. 気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、前記気筒内に配置された点火電極を有する点火プラグと、前記点火プラグに接続された点火コイルと、を備えた内燃機関を制御する内燃機関制御装置において、
   前記点火コイルに通電信号を出力する制御部を有し、
   前記制御部は、少なくとも初爆のための燃料噴射後に、点火信号を前記点火コイルに出力し、次に、失火救済のために第１周期の通電信号を前記点火コイルに出力し、点火成功後に、前記第１周期よりも短い第２周期の通電信号を前記点火コイルに出力する
   内燃機関制御装置。
2. 前記制御部は、前記気筒内の圧力が予め定めた閾値を越えた場合に、前記点火成功を検知する
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
3. 前記制御部は、前記点火プラグによる放電毎の前記点火コイルの２次電圧と２次電流の値から前記気筒内の圧力を算出する
   請求項２に記載の内燃機関制御装置。
4. 前記制御部は、初爆工程における膨張行程もしくは排気工程のいずれかで前記通電信号の周期を前記第１周期から前記第２周期に変更する
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
5. 前記制御部は、前記点火コイルの温度に応じて、前記通電信号のＤＵＴＹ比を変更する
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
6. 気筒内に配置された点火電極を有する点火プラグと、前記点火プラグに接続された点火コイルを有する点火機関の制御方法において、
   少なくとも初爆のための燃料噴射後に、点火信号を前記点火コイルに出力し、次に、失火救済のために第１周期の通電信号を前記点火コイルに出力し、点火成功後に、前記第１周期よりも短い第２周期の通電信号を前記点火コイルに出力する
   点火機関の制御方法。

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