(57)【要約】【課題】多重点火方式において、着火が実現しているか否かを早期に検出して、適切な点火制御を実現できる燃焼制御装置を提供する。【解決手段】一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とが電磁結合されてなる点火トランスＴと、一点火サイクル中に、一次コイルＬ１の電流を複数回ＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２に誘起される高電圧を受けて火花放電する点火プラグＰＧと、点火トランスの二次電流や二次電圧を検出する信号検出部と、検出部が検出した検出値が、容量放電区間において判定レベルを超えるか否かを判定するレベル判定部（ＳＴ４）と、レベル判定部の出力に基づいて燃焼室の燃焼状態を判定する燃焼判定部（ＳＴ６，ＳＴ７）とを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次コイルと二次コイルとが電磁結合されてなる点火トランスと、
一点火サイクル中に、前記一次コイルの電流を複数回ＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子と、
前記二次コイルに誘起される高電圧を受けて燃焼室内で火花放電する点火プラグと、
前記点火トランスの電流、及び／又は、電圧を検出する信号検出部と、
前記検出部が検出した電流、及び／又は、電圧の検出値が、容量放電区間において判定レベルを超えるか否かを判定するレベル判定部と、
前記レベル判定部の出力に基づいて燃焼室の燃焼状態を判定する燃焼判定部と、
を有して構成されたことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
前記燃焼判定部は、前記検出値が判定レベルを超える超過区間における電流値、及び／又は、電圧値の時間的推移に基づいて燃焼状態を判定する請求項１に記載の燃焼制御装置。
【請求項３】
前記信号検出部では、前記点火トランスの一次側電圧又は二次側電圧である検出電圧を検出し、
前記燃焼判定部では、前記検出電圧が電圧判定レベルを超える超過区間の累積時間、前記超過区間における前記検出電圧の累積値、又は、前記超過区間における前記検出電圧のピーク値、の何れか一以上に基づいて燃焼状態を判定する請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記信号検出部では、前記点火トランスの一次側電流又は二次側電流である検出電流を検出し、
前記燃焼判定部では、前記検出電流が電流判定レベルを超える超過区間の累積時間、前記超過区間における前記検出電流の累積値、又は、前記超過区間における前記検出電流のピーク値、の何れか一以上に基づいて燃焼状態を判定する請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
【請求項５】
前記信号検出部では、前記点火トランスの二次側電流と共に、前記点火トランスの一次側電圧又は二次側電圧である検出電圧を検出し、
前記燃焼判定部では、前記検出電圧が電圧判定レベルを超える超過区間における、前記検出電圧と前記二次側電流との演算結果に基づいて燃焼状態を判定する請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
【請求項６】
前記信号検出部では、前記点火トランスの二次側電流と共に、前記点火トランスの一次側電圧又は二次側電圧である検出電圧を検出し、
前記燃焼判定部では、前記二次側電流が電流判定レベルを超える超過区間における、前記検出電圧と前記二次側電流との演算結果に基づいて燃焼状態を判定する請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
【請求項７】
前記燃焼判定部は、一点火サイクル中における、前記スイッチング素子の二度目のＯＦＦ遷移後における電流値、及び／又は、電圧値に基づいて燃焼状態を判定する請求項１〜６の何れかに記載の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重点火方式を採用する内燃機関において、燃焼状態を素早いタイミングで検出でき、検出結果に基づいた適切な制御動作を可能にした燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジンなどの内燃機関では、燃焼室に導入した空気及び燃料の混合気を、点火プラグの点火放電により燃焼させてエネルギーを発生させている。このような内燃機関では、一点火サイクルにおいて、点火プラグを複数回放電させる多重点火方式が知られている。この多重点火方式では、放電動作を間欠的に複数回繰り返すことで、例えば、混合気の空燃比がリーンや、大量ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)状態でも、着火動作を安定化させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、多重点火方式では、一点火サイクルに複数回の放電動作を実行する分だけ、点火プラグや、点火プラグに高電圧を供給する点火トランスの劣化が激しいという問題がある。また、多重点火方式では、混合気が安定的に燃焼している状態でも、不要な放電動作を繰り返すというエネルギー上の無駄もある。
【０００４】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、多重点火方式において、着火が実現しているか否かを早期に検出して、適切な点火制御を実現できる燃焼制御装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、本発明は、一次コイルと二次コイルとが電磁結合されてなる点火トランスと、一点火サイクル中に、前記一次コイルの電流を複数回ＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子と、前記二次コイルに誘起される高電圧を受けて燃焼室内で火花放電する点火プラグと、前記点火トランスの電流、及び／又は、電圧を検出する信号検出部と、前記検出部が検出した電流、及び／又は、電圧の検出値が、容量放電区間において判定レベルを超えるか否かを判定するレベル判定部と、前記レベル判定部の出力に基づいて燃焼室の燃焼状態を判定する燃焼判定部と、を有して構成されている。なお、判定レベルを超えるとは、検出値の正負レベルに応じて、判定レベルを上回る場合だけでなく、判定レベルを下回る場合も含まれるが、検出値の絶対値で評価すれば、判定レベルを上回ることを意味する。
【０００６】
本発明において容量放電区間とは、点火プラグが絶縁破壊された後、点火トランスの二次電圧が急激に低下し終わるまでの区間を意味する。一般に、この種の点火回路では、図１（ａ）に示す通り、点火トランスの二次電圧が点火プラグの絶縁破壊電圧に達すると、それまでに漂遊容量に充電された静電エネルギーが一気に放出されて二次電圧が急激に低下し（容量性放電）、その後の誘導性放電に継続される。
【０００７】
以上を踏まえて、本発明者が、点火プラグを繰り返し放電させつつ、点火トランス各部の電圧波形や電流波形を綿密に検討したところ、混合気が燃焼している燃焼状態と、燃焼していない失火状態とで、点火プラグの絶縁破壊直後に有意な差異が生じることが知見された。
【０００８】
すなわち、本発明者の検討結果によれば、多重点火方式において、燃焼が開始された後は、それまでより、絶縁破壊直後の容量放電区間における、点火トランスの一次電圧や二次電圧や二次電流が有意に低いことが明らかとなった。また、この現象に関連して、一次電圧や二次電圧や二次電流を、所定の判定レベル（閾値）と対比して得られる二値信号（判定パルス）についても、燃焼が開始された後は、それまでより、そのパルス幅が狭くなる。
【０００９】
したがって、本発明の構成によれば、レベル判定部における判定レベルを比較的高い適宜な値に設定することで、この判定レベルを超える電流や電圧が、容量放電区間に検出されるか否かに基づいて燃焼状態を検出することができる。或いはまた、レベル判定部における判定レベルを、やや低い適宜な値に設定することで、この判定レベルを超えることを示す判定パルスのパルス幅が、基準値より狭いか否かに基づいて燃焼状態を検出することができる。
【００１０】
なお、判定レベルとの対比処理は、図１（ａ）のように、アナログ信号の状態で実行しても良いし、図１（ｂ）のように、アナログ信号をデジタル変換した後に実行しても良い。前者の場合には、高速処理が可能となる利点があり、後者の場合には、複雑高度な対比処理が可能となる。
【００１１】
上記した通り、最も簡易的には、判定レベルを超える電流や電圧が検出されない場合には燃焼状態であると判定することができる。この判定は、時間的推移を踏まえるのが好適であり、例えば、それまで、判定レベルを超える検出信号が継続して検出されていたが、その後の容量放電区間では、判定レベルを超える検出信号が検出されなくなった場合には、燃焼が開始されたと判定することができる。逆に、それまで、判定レベルを超える検出信号が検出されていないのに、その後の容量放電区間で、判定レベルを超える検出信号が検出される場合には、失火状態に至ったと判定することもできる。
【００１２】
何れにしても、このような実施態様であれば、レベル判定部をアナログ回路によって構成することができ、コンピュータ回路に制御負荷を与えることなく、一点火サイクル内において、リアルタイムで迅速な処理が可能となる。そして、燃焼判定部が、燃焼が確実に開始されたと判定する場合には、例えば、その後の点火コイルの駆動を停止することができる。逆に、燃焼判定部が失火状態であると判定する場合には、例えば、混合気の供給量や空燃費を調整する対策を採ることができる。
【００１３】
本発明において、判定精度を高めるためには、容量放電区間における電圧ピーク値や電流ピーク値のレベル判定のみに依拠するのではなく、電圧値や電流値の時間的推移から算出される判定パラメータを考慮するのが望ましい。例えば、燃焼判定部では、検出電圧が電圧判定レベルを超える超過区間の累積時間、超過区間における検出電圧の累積値、又は、超過区間における検出電圧のピーク値、の何れか一以上に基づいて燃焼状態を判定するのが好適である。
【００１４】
ここで、超過区間は、検出信号が判定レベルを超えることを示す二値信号についてのパルス幅を意味し、燃焼状態では失火状態よりパルス幅が狭くなるので、これを累積することで判定精度を高めることができる。また、複数の判定パラメータを組み合わせて評価することで更に判定精度が高まる。
【００１５】
同様に、燃焼判定部では、検出電流が電流判定レベルを超える超過区間の累積時間、超過区間における検出電流の累積値、又は、超過区間における検出電流のピーク値、の何れか一以上に基づいて燃焼状態を判定するのも好適である。
【００１６】
更にまた、信号検出部では、点火トランスの二次側電流と共に、点火トランスの一次側電圧又は二次側電圧である検出電圧を検出し、燃焼判定部では、検出電圧が電圧判定レベルを超える超過区間における、検出電圧と二次側電流との演算結果に基づいて燃焼状態を判定するのも効果的である。
【００１７】
同様に、信号検出部では、点火トランスの二次側電流と共に、点火トランスの一次側電圧又は二次側電圧である検出電圧を検出し、燃焼判定部では、二次側電流が電流判定レベルを超える超過区間における、検出電圧と二次側電流との演算結果に基づいて燃焼状態を判定するのも効果的である。上記何れの場合も、演算には、検出電圧と二次側電流とを積算する積算演算が好適に例示される。
【００１８】
なお、一点火サイクル中における、スイッチング素子の一度目のＯＦＦ遷移までは燃焼が開始されていないので、一度目のＯＦＦ遷移後の点火トランス各部の電流値や電圧値には、殆んど有意な差は認められない。したがって、燃焼判定部は、一点火サイクル中における、スイッチング素子の二度目のＯＦＦ遷移後における電流値、及び／又は、電圧値に基づいて燃焼状態を判定するのが効果的である。
【００１９】
ところで、点火トランスの一次電圧、二次電圧、又は二次電流の状態は、点火プラグのプラグギャップやプラグ形状によって変化するので、レベル判定部で使用する判定レベルは、点火プラグの経年変化などに対応して適宜に修正されるべきである。具体的には、初期状態の判定レベルを用いた燃焼判定の正否を、他のセンサや検出回路からの情報に基づいて検証することで、判定レベルを順次修正する学習機能をコンピュータ回路に搭載するのが好適である。
【発明の効果】
【００２０】
上記した本発明の燃焼制御装置によれば、燃焼状態を早期に把握できるので、不必要な点火動作を抑制することができ、点火プラグや点火コイルの高寿命化を実現することができる。また、安定したリーン燃焼や大量ＥＧＲ燃焼等を実現できるので燃費向上や環境汚染の防止を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例について説明する。図２（ａ）は、基礎実験に使用した回路構成を図示したものである。
【００２２】
図示の燃焼制御装置は、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とが電磁結合されてなる点火トランスＴと、一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２に誘起される高電圧を受けて燃焼室内で火花放電する点火プラグＰＧと、点火トランスＴの二次電流Ｉ２と二次電圧Ｖ２に対応したアナログ検出信号を受けるＡＤ変換器ＡＤＣ１，ＡＤＣ２と、ＡＤ変換器ＡＤＣ１，ＡＤＣ２からデジタル検出信号を受けると共にスイッチング素子Ｑを駆動するコンピュータ回路ＣＯＭと、を有して構成されている。
【００２３】
そして、この燃焼制御装置では、一点火サイクル中に複数回放電動作を繰り返す多重点火方式を採っている。すなわち、コンピュータ回路ＣＯＭは、一点火サイクル中に、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）Ｑのゲート端子に点火パルスＳＧを複数回繰り返し供給している。なお、特に限定されるものではないが、点火パルスＳＧは、２００μＳ〜４００μＳ程度のパルス周期であり、そのデューティ比は、３５％〜６５％程度である。
【００２４】
図示の通り、点火プラグＰＧに供給される二次電圧Ｖ２は、降圧回路ＤＰとＡＤ変換器ＡＤＣ１とを経由して、コンピュータ回路ＣＯＭに供給されている。また、二次コイルＬ２に流れる二次電流Ｉ２は、シャント抵抗ＲＳの両端電圧に変換された後、ＡＤ変換器ＡＤＣ２を経由して、コンピュータ回路ＣＯＭに供給されている。そして、この実施例では、容量放電区間において検出信号が判定レベルを超えるか否かを判定するレベル判定部と、レベル判定部の出力に基づいて燃焼状態を判定する燃焼判定部とは、ともにコンピュータ回路ＣＯＭで構成されている。
【００２５】
また、コンピュータ回路ＣＯＭは、容量放電区間にＡＤ変換器を動作させて、検出信号を取得する一方、その後の誘導放電区間では、取得した検出信号に基づいて燃焼判定及び燃焼制御を実行している（図２（ｂ）参照）。ＡＤ変換機のサンプリング周期は、短いほど好ましいが、精密な燃焼判定を実現するためには、例えば、０．１μＳ程度で動作させるのが好適である。
【００２６】
もっとも、ＡＤ変換器は、必ずしも必須ではなく、例えば、図１（ｂ）に示す通り、アナログ検出信号と基準電圧とを受けて二値信号を出力するコンパレータを使用しても良い。このような構成の場合には、二次電圧や二次電流のピーク値を取得することはできないが、検出信号が基準電圧を超えることを示す二値信号について、そのパルス幅を評価することで燃焼状態を検出することができる。
【００２７】
点火トランスＴを構成する一次コイルＬ１と二次コイルＬ２は、コイル巻線が同相に巻かれている。そのため、スイッチング素子ＱがＯＦＦ遷移して一次コイルＬ１の電流が遮断されると、二次コイルＬ２に、図示の向きの高電圧が誘起される。この誘起電圧は、漂遊容量Ｃをほぼ瞬時に充電するが、点火プラグＰＧに加わる高電圧が、その絶縁破壊電圧を超えると、漂遊容量Ｃに充電された静電エネルギーが瞬間的に放出される容量性放電が実行される。そして、容量性放電によって二次電圧が数１００Ｖ程度まで低下した後、誘導性放電が継続される。
【００２８】
図３は、点火トランスＴの二次電圧Ｖ２と、点火パルスＳＧとの関係を示すタイムチャートである。図３（ｂ）は、点火パルスＳＧの最初の立下りエッジで開始された燃焼が、その後も維持されている燃焼状態を示している。一方、図３（ｃ）は、点火プラグＰＧの火花放電に拘わらず、一貫して混合気が燃焼していない状態を示している。
【００２９】
図４は、点火トランスＴの二次電流Ｉ２と、点火パルスＳＧとの関係を示すタイムチャートであり、図３の場合と同様に、一貫した燃焼状態（図４（ｂ））と、一貫した失火状態（図４（ｃ））とを示している。なお、この実施例では、点火パルスＳＧは、最初の立下りエッジの後、パルス周期τ（≒２８０μＳ）で、繰り返し間欠的にスイッチング素子Ｑに供給されている。また、デューティ比は６０％程度である。
【００３０】
図３（ｂ）（ｃ）に示される通り、点火パルスＳＧの立下りエッジ後の容量性放電区間における二次電圧Ｖ２の電圧ピーク値は、燃焼時より失火時の方が有意に深い。同様に、二次電流についても、その電流ピーク値は、燃焼時より失火時の方が有意に深い。なお、図４（ｂ）と図４（ｃ）では、縦軸の縮尺が相違しているが、閾値ＴＨは同一値である。
【００３１】
図３〜図４から確認される通り、電圧ピーク値や電流ピーク値は、燃焼時と失火時とで有意に相違するので、例えば、判定閾値ＴＨを適宜に設定すれば、判定閾値ＴＨを超える電圧ピークや電流ピークが存在するか否かによって失火状態か燃焼状態かを判定することができる。
【００３２】
また、電圧値や電流値の時間的推移を考慮して、検出電圧が判定閾値ＴＨを超える超過区間の累積時間Ｗｊや、超過区間における検出電圧の累積値Ｓｊに基づいて燃焼状態を判定すれば判定精度が向上する。図５（ａ）は、判定閾値ＴＨを超える超過区間についての二次電圧Ｖ２を累積したものである（累積値ΣＳｊ）。ここでは、点火プラグＳＧの点火周期τごとに、超過区間における二次電圧Ｖ２を累積しているので、点火周期τごとに増加する階段波形状を示している。一方、図５（ｂ）は、超過区間Ｗｊを、点火周期τごとに累積したものであり（累積値ΣＷｊ）、図５（ａ）と同様の階段波形状となっている。
【００３３】
図５から明らかな通り、超過区間の累積値ΣＷｊや、超過区間における電圧値や電流値の累積値ΣＳｊに基づけば、燃焼状態か失火状態かを高精度に特定することが可能となる。例えば、一点火サイクルにおける複数回の点火動作について、各回の点火動作ごとの閾値ＴＨｊを設けておけば、この閾値ＴＨｊを連続して上回るか、或いは、連続して下回ることに基づいて確実な燃焼判定をすることができる。なお、閾値ＴＨｊは、累積値ΣＷｊ、及び／又は、累積値ΣＳｊに関する値である。
【００３４】
もっとも、毎回の点火動作時に、同一の閾値ＴＨに基づいて燃焼判定するのも好適である。この場合には、例えば、多重点火の途中までは、判定パラメータＳｊ、及び又は、判定パラメータＷｊが、各々の閾値ＴＨａ，ＴＨｂを連続して上回っていたのに、その後、閾値ＴＨａ，ＴＨｂを下回るような場合には、燃焼が開始されたと判定することができる。
【００３５】
図６は、内燃機関に搭載される燃焼制御装置について、一点火サイクル中の動作内容を示すフローチャートである。ここでは、コンピュータＣＯＭは、ＡＤ変換器ＡＤＣ１が出力する二次電圧Ｖ２に基づいて燃焼制御を実行している。また、以下の説明では、今回が、多重点火動作における第ｊ回目であるとする。
【００３６】
この場合、コンピュータ回路ＣＯＭは、最初、点火パルスＳＧの第ｊ回目の立下りタイミングに達したか否かを判定し（ＳＴ１）、立下りタイミングに達すると、ＡＤ変換器ＡＤＣ１の動作を開始させる（ＳＴ２）。
【００３７】
そして、ＡＤ変換動作が完了すれば、ＡＤ変換された二次電圧Ｖ２を、順次、変数ＤＴｉに取得する（ＳＴ３）。このように、本実施例では、容量性放電が確実に終了するタイミングまで、ＡＤ変換処理（ＳＴ２）と、変換データＤＴｉの取得処理（ＳＴ３）とアンプリング周期ごとに繰り返す（ＳＴ４）。
【００３８】
ここで、ステップＳＴ４の処理で判定されるデータ取得区間は、予め実験的に特定される容量放電区間より十分に広い区間であり、例えば２０μＳ前後に設定されている。また、ＡＤ変換器ＡＤＣ１のサンプリング周期は、二次電圧Ｖ２のピーク値を確実に特定できるよう０．１μＳ程度に設定されている。
【００３９】
以上のようにして、容量放電区間についてのデータ取得処理が終わると、次に、取得した各データＤＴｉ（ｉ＝０〜Ｎ）を、レベル判定用の閾値ＴＨと対比して、閾値ＴＨを超える超過区間Ｗｊ（ｊ＝１，２・・・）を特定して、メモリに記憶する（ＳＴ５）。また、超過区間に含まれる取得データＤＴｉについて、その値を累積し（Ｓｊ←Ｓｊ＋ＤＴｉ）、加算結果である累積値Ｓｊをメモリに記憶する（ＳＴ５）。
【００４０】
次に、ステップＳＴ５の処理で算出された今回（＝ｊ回目）の超過区間Ｗｊと累積値Ｓｊとを、過去の算出結果と共に総合評価して燃焼判定を行う（ＳＴ６）。総合評価の手法は特に限定されないが、典型的には、過去の算出結果（Ｓ１，Ｓ２・・・・／Ｗ１，Ｗ２・・・・）との累積値を算出し、その算出結果に基づいて燃焼判定を行う。
【００４１】
例えば、各点火動作時における超過区間内の取得データの累積値Ｓｊを、順次、加算すると（ΣＳｊ）、図５（ａ）のように、燃焼状態か否かによって顕著な差異が生じる。また、各点火動作時における超過区間Ｗｊを、順次、加算しても（ΣＷｊ）、図５（ｂ）のような顕著な差異が生じる。
【００４２】
そこで、このような判定パラメータ（ΣＳｊ、ΣＷｊ）による判定結果に基づいて適切な燃焼制御を実施して第ｊ回目の動作を終える（ＳＴ７）。具体的には、燃焼が開始されていないと判定される場合には、例えば、混合気の空燃比を調整するとか、点火パルスＳＧのパルス幅やデューティ比を調整するなどの対策を採り、処理を終える。なお、多重点火動作における第ｊ＋１回目以降についても、前記と同様にステップＳＴ１〜ＳＴ７の処理を繰り返す。
【００４３】
なお、ステップＳＴ５の処理で使用するレベル判定用の閾値ＴＨは、点火プラグの交換や経年変化などに対応して適宜に修正される。例えば、燃焼時に燃焼室に発生するイオンを、点火トランスの二次側で検出するイオン電流検出回路を設け、検出されたイオン電流に基づく燃焼判定と、閾値ＴＨに基づく燃焼判定とを対比して、閾値ＴＨを最適レベルに適宜修正する。
【００４４】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、実施例では、二次電圧に基づいて燃焼判定する場合を例示したが、二次電圧Ｖ２に代えて、一次電圧Ｖ１や二次電流Ｉ２を利用できるのは勿論である。また、二次電圧Ｖ２、二次電流Ｉ２、一次電圧Ｖ１など、複数の検出値を適宜に組み合わせた判定パラメータに基づいて燃焼判定することもでき、この複合判定パラメータには、Ｖ２＊Ｉ２やＶ１＊Ｉ２などの演算値が好適に例示される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の基本構成を説明する図面である。
【図２】実施例に係る燃焼制御装置を説明する回路ブロック図である。
【図３】多重放電時の点火パルスと二次電圧とを示すタイムチャートである。
【図４】多重放電時の点火パルスと二次電流とを示すタイムチャートである。
【図５】特定の判定パラメータによって燃焼と失火とを判別できることを示す図面である。
【図６】図１のコンピュータ回路の制御動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
Ｌ１    一次コイル
Ｌ２    二次コイル
Ｔ      点火トランス
Ｑ      スイッチング素子
ＰＧ    点火プラグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010138880.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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