(57)【要約】【課題】燃焼室内にタンブル流を発生させる場合において、吸気側への火炎伝播の遅れを抑制可能な内燃機関の点火制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】燃焼室２２内に流入したガスは、点火プラグ２４，２６周囲を通過して排気側へと向かう。この際、点火プラグ２４，２６周囲を流れるガスの流速（プラグ位置流速ｖ）は、排気側の方向に大きい値を示す。ガスはその後、シリンダライナ１６へ衝突するので、プラグ位置流速ｖは急変して吸気側の値へと変化する。本実施形態においては、プラグ位置流速ｖが排気側の方向の値から急変する前のクランク角度ＣＡ１で点火プラグ２４，２６を同時に点火し（点火時期１）、吸気側の方向の値へ変化した後のクランク角度ＣＡ２で点火プラグ２４を再点火する（点火時期２）。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室の天井壁の外周部に形成された吸気口および排気口と、
前記天井壁の中央部の前記吸気口側に配設された吸気側点火プラグと、
前記天井壁の中央部の前記排気口側に配設された排気側点火プラグと、
前記燃焼室内で縦方向の渦巻き流を形成する流体の前記吸気側点火プラグまたは前記排気側点火プラグの配設箇所における流れ方向が、前記吸気口から前記排気口へと向かう方向である場合に前記排気側点火プラグを点火し、前記排気口から前記吸気口へと向かう方向に反転した場合に前記吸気側点火プラグを点火する点火時期制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の点火制御装置。
【請求項２】
前記点火時期制御手段は、前記排気側点火プラグの放電エネルギから前記燃焼室内で形成される縦方向の渦巻き流の前記配設箇所における流速を算出し、前記流れ方向の反転を検出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の点火制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃焼室に複数の点火プラグを設けて多点点火を行うことが知られている。例えば特許文献１には、燃焼室の天井壁の中央部に設けた中央点火プラグと、該天井壁の周縁部に設けたサイド点火プラグとを備え、該燃焼室内のガスの流動速度が判定速度よりも遅い場合、中央点火プラグを点火した所定時間後にサイド点火プラグを点火する点火制御装置が開示されている。この点火制御装置において、サイド点火プラグは、該天井壁の周縁部、かつ、該天井壁に形成された吸気口と排気口の間に配設されている。特許文献１には、このサイド点火プラグの配設箇所を、該天井壁の吸気口側の周縁部に変更してもよいことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃焼室の天井壁中央部に点火プラグを設けた燃焼室構成において、燃焼の促進を図る目的で、燃焼室内に縦方向の渦巻き流（以下「タンブル流」ともいう。）を発生させることがある。この点火プラグの周辺には、タンブル流の発生直後、吸気側から排気側に向かうガス流れが生じる。そのため、タンブル流の発生直後にこの点火プラグを点火すると、このガス流れに沿って火炎が伝播するので、火炎伝播の反対方向すなわち吸気側への火炎伝播が遅れるという問題がある。
【０００５】
この点、上記特許文献１において、サイド点火プラグの配設箇所を上記天井壁の吸気口側の周縁部に変更し、尚且つ、中央点火プラグの点火後にこのサイド点火プラグを点火すれば、上述した火炎伝播の問題を解消できる可能性がある。しかし、当該吸気口側の周縁部では、排気側から吸気側に戻ってきたガスが、ピストン表面から燃焼室の天井壁に向かう方向に流れる。このため、サイド点火プラグの点火によって生じた火炎が該天井壁側に流れ、その結果、該天井壁で冷やされて消炎する可能性がある。
【０００６】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、燃焼室内にタンブル流を発生させる場合において、吸気側への火炎伝播の遅れを抑制可能な内燃機関の点火制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の点火制御装置であって、
内燃機関の燃焼室の天井壁の外周部に形成された吸気口および排気口と、
前記天井壁の中央部の前記吸気口側に配設された吸気側点火プラグと、
前記天井壁の中央部の前記排気口側に配設された排気側点火プラグと、
前記燃焼室内で縦方向の渦巻き流を形成する流体の前記吸気側点火プラグまたは前記排気側点火プラグの配設箇所における流れ方向が、前記吸気口から前記排気口へと向かう方向である場合に前記排気側点火プラグを点火し、前記排気口から前記吸気口へと向かう方向に反転した場合に前記吸気側点火プラグを点火する点火時期制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記点火時期制御手段は、前記排気側点火プラグの放電エネルギから前記燃焼室内で形成される縦方向の渦巻き流の前記配設箇所における流速を算出し、前記流れ方向の反転を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、点火時期制御手段によって吸気側点火プラグまたは排気側点火プラグの配設箇所における流れ方向に応じた点火制御を実行できる。即ち、当該流れ方向が、吸気口から排気口へと向かう方向である場合には排気側点火プラグを点火し、排気口から吸気口へと向かう方向に反転した場合に吸気側点火プラグを点火できる。このように、流れ方向が反転した場合に吸気側点火プラグを点火できれば、燃焼室内にタンブル流を発生させる場合において、吸気側への火炎伝播の遅れを抑制できる。
【００１０】
燃焼室内で形成される縦方向の渦巻き流の上記配設箇所における流速と、点火プラグの放電エネルギとは相関を有する。第２の発明によれば、排気側点火プラグの放電エネルギから上記配設箇所における流速を算出できるので、吸気側点火プラグの点火時期を良好に算出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る点火制御装置の主要な構成を説明するための図である。
【図２】点火プラグ２４と点火プラグ２６の位置関係を説明するための図である。
【図３】タンブル流に起因した火炎伝播の遅れを説明するための図である。
【図４】内燃機関１０の圧縮行程の後半において、点火プラグ２４周囲を流れるガスの流速と、クランク角度との関係を示した図である。
【図５】点火時期制御実行中の燃焼室２２内の火炎挙動を説明するための図である。
【図６】点火プラグ２６の放電エネルギとプラグ位置流速ｖとの関係を示した図である。
【図７】点火時期制御を実行するための処理ルーチンを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１３】
［装置構成の説明］
以下、図１乃至図７を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施形態に係る点火制御装置の主要な構成を説明するための図である。図１に示すように、実施形態に係る点火制御装置は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、理論空燃比よりリーンな空燃比での燃焼が可能な火花点火式のリーンバーンエンジンである。内燃機関１０は、図示しない複数のシリンダを有している。図１には、そのうちの一つのシリンダ１２の断面が示されている。
【００１４】
シリンダ１２はシリンダブロック１４内に形成されている。シリンダ１２の内面にはシリンダライナ１６が設けられている。シリンダ１２内には、ピストン１８がシリンダライナ１６に対し摺動可能に配置されている。ピストン１８の頂面には略弧状のキャビティ１８ａが形成されている。シリンダブロック１４の上部には、シリンダヘッド２０が組み付けられている。シリンダブロック１４内のシリンダ１２の側面、ピストン１８の頂面、およびシリンダヘッド２０の底面で囲まれた空間により燃焼室２２が形成されている。つまり、燃焼室２２の天井壁はシリンダヘッド２０の底面の一部から構成される。
【００１５】
シリンダヘッド２０には、点火プラグ２４が配設されている。点火プラグ２４は、燃焼室２２の天井壁中央部の非傾斜領域に設けられ、中心電極２４ａと接地電極２４ｂと圧力センサ２４ｃとを備えている。中心電極２４ａと接地電極２４ｂとは、所定の電極間距離を挟んで互いに対向している。点火プラグ２４は、中心電極２４ａと接地電極２４ｂとの間に要求電圧よりも高い電圧（二次電圧）を印加することにより、これらの電極間に点火火花を生じさせて燃焼室２２内の混合気に着火させるものである。圧力センサ２４ｃは、点火プラグ２４周囲の圧力を検出可能に構成されている。
【００１６】
点火プラグ２４の隣には、点火プラグ２６が配設されている。点火プラグ２６は点火プラグ２４同様、燃焼室２２の天井壁中央部の非傾斜領域に設けられ、中心電極２６ａと接地電極２６ｂと圧力センサ２６ｃを備えている。中心電極２６ａ、接地電極２６ｂおよび圧力センサ２６ｃは、それぞれ中心電極２４ａ、接地電極２４ｂおよび圧力センサ２４ｃと同様に構成されている。
【００１７】
図２は、点火プラグ２４と点火プラグ２６の位置関係を説明するための図である。図２に示すように、点火プラグ２４，２６は、吸気ポート２８（後述）に開口する吸気口２０ａ，２０ｂと、排気ポート３０（後述）に開口する排気口２０ｃ，２０ｄとで囲まれた領域内に配設されている。点火プラグ２４は、当該領域の吸気口２０ａ，２０ｂ側に配設されている。点火プラグ２６は、当該領域の排気口２０ｃ，２０ｄ側に配設されている。点火プラグ２４，２６は近接しており、点火プラグ２４の中心軸と点火プラグ２６の中心軸との距離は１０ｍｍ以下に設計されている。
【００１８】
再び図１に戻る。図１に示すように、燃焼室２２は、吸気口２０ａ，２０ｂを介して２つの吸気ポート２８と連通すると共に、排気口２０ｃ，２０ｄを介して２つの排気ポート３０と連通している。吸気口２０ａ，２０ｂおよび排気口２０ｃ，２０ｄは、燃焼室２２の天井壁外周部の傾斜領域に設けられている。吸気口２０ａ，２０ｂには、２つの吸気バルブ３２が設けられている。排気口２０ｃ，２０ｄには、２つの排気バルブ３４が設けられている。
【００１９】
実施形態に係る点火制御装置は、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力側には、圧力センサ２４ｃ，２６ｃの他、内燃機関１０の制御に必要な各種センサ（例えば、吸入空気量を検出するエアフロメータ、エンジン回転数を検出するクランク角センサ等）が電気的に接続されている。他方、ＥＣＵ４０の出力側には、点火プラグ２４，２６、吸気バルブ３２、排気バルブ３４の他、吸気ポート２８（または燃焼室２２）に燃料を噴射するインジェクタ、燃焼室２２内にタンブル流を発生させるタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）等の各種アクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ４０は、上述の各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、上述の各種アクチュエータ等を作動させることにより、以下に説明する点火時期制御をはじめとする内燃機関１０の運転に関する種々の制御を実行する。
【００２０】
［実施の形態の特徴］
リーンバーンエンジンにおいては、混合気濃度のリーン化に伴う燃焼速度の緩慢化を補うために、タンブル流を用いてシリンダ内の流動を強化し火炎伝播速度の向上を図っている。本実施形態の内燃機関１０においても同様で、ＴＣＶを操作してタンブル流を燃焼室２２内に発生させている。しかしながら、タンブル流を強くするほど燃焼室内の火炎伝播に偏りが生じ、吸気側への火炎伝播が遅れるという問題がある。
【００２１】
図３は、タンブル流に起因した火炎伝播の遅れを説明するための図である。図３に示す矢印は、燃焼室内のガスの流れ方向（タンブル流の向き）を示している。この矢印で示すように、シリンダヘッド５０の吸気口５０ａから燃焼室５２内に流入したガスは、点火プラグ５４周囲を通過して排気口５０ｂ側へと向かう（図３（１））。その後、シリンダライナ１６に衝突して反転し、点火プラグ５４の下方を通過して再び吸気口５０ａに向かう（図３（２））。そのため、当該（１）のガス流れが生じているときに点火プラグ５４を点火すると、初期火炎が排気口５０ｂ側に伸長するので燃焼室５２内の火炎に偏りが生じる。その結果、吸気口５０ａ側への火炎伝播が遅れ、タンブル流による流動強化の効果が薄れ、或いは、燃焼変動へ影響を及ぼしてしまう。
【００２２】
そこで、本実施形態においては、排気口２０ｃ，２０ｄから吸気口２０ａ，２０ｂに向かうガス流れ（つまり、図３（２）のガス流れ）が点火プラグ２４周囲に生じているときに、点火プラグ２４を再点火する制御（点火時期制御）を行うこととしている。この点火時期制御について、図４乃至図５を参照しながら説明する。図４は、内燃機関１０の圧縮行程の後半において、点火プラグ２４周囲を流れるガスの流速と、クランク角度との関係を示した図である。
【００２３】
燃焼室２２内に流入したガスは、点火プラグ２４，２６周囲を通過して排気側（排気口２０ｃ，２０ｄ側）へと向かう。この際、点火プラグ２４，２６周囲を流れるガスの流速（以下「プラグ位置流速ｖ」ともいう。）は、排気側の方向に大きい値を示す。ガスはその後、シリンダライナ１６へ衝突するので、プラグ位置流速ｖは急変して吸気側（吸気口２０ａ，２０ｂ側）の値へと変化する。なお、図４のプラグ位置流速ｖ１，ｖ２の関係が｜ｖ１｜＞｜ｖ２｜となるのは、プラグ位置流速ｖ１が燃焼室２２流入後間もない段階での流速である一方、プラグ位置流速ｖ２はシリンダライナ１６への衝突を経た後の流速であるためである。
【００２４】
本実施形態の点火時期制御においては、図４に示すように、プラグ位置流速ｖが排気側の方向の値から急変する前のクランク角度ＣＡ１で点火プラグ２４，２６を同時に点火し（点火時期１）、吸気側の方向の値へ変化した後のクランク角度ＣＡ２で点火プラグ２４を再点火する（点火時期２）。
【００２５】
図５は、点火時期制御実行中の燃焼室２２内の火炎挙動を説明するための図である。図５（ａ）が点火時期１における火炎挙動に、同図（ｂ）が点火時期２における火炎挙動に、それぞれ対応している。図５（ａ）に示すように、クランク角度ＣＡ１で点火プラグ２４，２６を点火すると、これらのプラグ周囲を流れる混合気に着火し初期火炎が発生する。但し、点火プラグ２４からの初期火炎は、排気側へのガス流れによって点火プラグ２６に接触し、冷却されて消炎する。点火プラグ２４からの放電火花が点火プラグ２６に接触し、いわゆる放電切れを起こす場合もある。そのため、クランク角度ＣＡ１での点火による火炎は、専ら点火プラグ２６からの初期火炎の伝播によって形成される。図５（ｂ）の排気側に示す火炎は、この火炎伝播により形成されたものである。
【００２６】
クランク角度ＣＡ２ではピストン１８の上昇とともに燃焼室２２内のガスが扁平状となる。そのため、図５（ｂ）に示すように、クランク角度ＣＡ２で点火プラグ２４を点火すると、点火プラグ２４周囲を流れる混合気に着火して初期火炎が発生し、ガス流れに乗って吸気側へと向かう。従って、この初期火炎の伝播によって吸気側への火炎伝播を早期化できる。よって、上述の不具合の発生を良好に抑制できる。
【００２７】
なお、点火時期１は内燃機関１０の運転状態（エンジン回転数、負荷）に基づいた公知の手法により算出される。点火時期２は、プラグ位置流速ｖから算出する。燃焼室２２内に流入したガスが点火プラグ２４，２６周囲を通過し、シリンダライナ１６で反転して再びこの点火プラグ２４，２６周囲に戻ってくるまでに移動するガス移動距離ｄは、シリンダ１２の内径によって推定できる。そのため、プラグ位置流速ｖが算出できれば、点火時期２を算出できる。プラグ位置流速ｖは、点火プラグ２６の放電エネルギから算出する。この理由は、点火プラグ２６は点火プラグ２４と異なり点火時期１での点火後に消炎や放電切れを起こすおそれがないためである。
【００２８】
点火プラグ２６の放電エネルギは、エネルギ密度と放電時間との積とで表される。エネルギ密度は点火プラグ２６の二次電流と二次電圧との積に相当する。図６は、点火プラグ２６の放電エネルギとプラグ位置流速ｖとの関係を示した図である。本実施形態において、図６の関係は予め実験等により求め、例えばマップ化した上でＥＣＵ４０内に記憶されているものとする。
【００２９】
［本実施形態における具体的処理］
次に、図７を参照しながら、本実施形態において実行される点火時期制御について説明する。図７は、点火時期制御を実行するための処理ルーチンを説明するフローチャートである。なお、図７に示すルーチンは、内燃機関１０の運転中に繰り返して実行されるものとする。
【００３０】
図７に示すルーチンにおいて、ＥＣＵ４０は、先ず、燃焼室２２でのタンブル流の発生の有無を判定する（ステップ１００）。具体的に、ＥＣＵ４０は、エアフロメータから検出した吸入空気量と、ＴＣＶの操作量とからタンブル流の発生の有無を判定する。本ステップにおいて、タンブル流の発生中でないと判定された場合、ＥＣＵ４０は本ルーチンを一旦終了する。
【００３１】
ステップ１００において、タンブル流の発生中であると判定された場合、ＥＣＵ４０は別途算出した点火時期１において点火プラグ２４，２６を同時に点火し、消炎側の点火プラグを特定すると共に、燃焼室２２内のガス流れ方向を特定する（ステップ１１０）。消炎側の点火プラグの特定は、圧力センサ２４ｃ，２６ｃから検出される圧力の上昇の比較により行われる。本実施形態においては、点火プラグ２４が消炎または放電切れを起こす。このため、ＥＣＵ４０は、点火プラグ２４から点火プラグ２６側にガス流れが生じていると特定し、燃焼継続側の点火プラグ２６の電気エネルギを算出する。なお、電気エネルギの算出手法については既述のとおりである。
【００３２】
ステップ１１０に続いて、ＥＣＵ４０は、プラグ位置流速ｖおよび点火時期２を算出する（ステップ１２０）。具体的に、ＥＣＵ４０は、ステップ１１０で算出した電気エネルギを、予め記憶しておいた図６の関係に適用してプラグ位置流速ｖを算出する。続いて、ＥＣＵ４０は、図６の関係同様、予め記憶しておいたガス移動距離ｄとプラグ位置流速ｖとから点火時期２を算出する。そして、ＥＣＵ４０は、ステップ１２０で算出した点火時期２において、消炎側の点火プラグ（すなわち、点火プラグ２４）を再点火する（ステップ１３０）。
【００３３】
以上、図７に示したルーチンによれば、点火時期１において点火プラグ２４，２６を同時に点火し、点火時期１において点火プラグ２４を再点火できる。点火プラグ２４を点火時期２で再点火できれば、この再点火で生じた初期火炎を排気側から吸気側に向かうガスの流れに乗せて伝播させることができる。従って、吸気側への火炎伝播を早期化できる。
【００３４】
ところで、上述の実施の形態においては、点火プラグ２４，２６を図２に示す配置としたが、これらの点火プラグの配置は各種の変形が可能である。例えば、点火プラグ２４を吸気口２０ａ寄りに配置してもよいし、点火プラグ２６を排気口２０ｃ寄りに配置してもよい。即ち、点火プラグ２４，２６が共に燃焼室２２の天井壁中央部の非傾斜領域に設けられ、尚且つ、点火プラグ２４が点火プラグ２６よりも吸気側にあれば、点火時期１において点火プラグ２４から生じた初期火炎が、点火プラグ２６に接触して消炎する。よって、点火時期２において点火プラグ２４を再点火すれば本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
また、上述の実施の形態においては、圧力センサ２４ｃ，２６ｃを備える点火プラグ２４，２６を前提とし、これらの圧力センサを用いて図７のステップ１１０において消炎側の点火プラグを判断した。しかしながら、ＴＣＶの構成等により、燃焼室２２内に流入したガスが点火プラグ２４，２６周囲を通過して排気側へと向かい、その後反転して吸気側へと向かうことが明らかな場合は、これらの圧力センサを省略してもよく、この場合は当該消炎側の点火プラグの特定を省略できる。更には、点火時期１における点火プラグ２４の点火を省略できる。点火時期１において点火プラグ２６のみを点火し、点火時期２において点火プラグ２４を点火したとしても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
また、上述の実施の形態においては、燃焼室２２の天井壁外周部に２つの吸気口２０ａ，２０ｂと２つの排気口２０ｃ，２０ｄとを設けたが、例えば吸気口と排気口とを１つずつ設けてもよく、３つの吸気口と１つの排気口とを設けてもよい。すなわち、燃焼室２２の天井壁外周部に設ける限りにおいて、これら吸気口および排気口の数は各種の変形が可能である。
【００３７】
なお、上述の実施の形態においては、点火プラグ２４が上記第１の発明における「吸気側点火プラグ」に、点火プラグ２６が同発明における「排気側点火プラグ」に、それぞれ相当している。
また、ＥＣＵ４０が図７のステップ１１０〜１３０の処理を実行することにより上記第１の発明の「点火時期制御手段」が実現されている。
【符号の説明】
【００３８】
１０  内燃機関
２０，５０  シリンダヘッド
２０ａ，２０ｂ，５０ａ  吸気口
２０ｃ，２０ｄ，５０ｂ  排気口
２２  燃焼室
２４，２６，５４  点火プラグ
４０  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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