(57)【要約】      （修正有）【課題】車両等に搭載される内燃機関の燃費性能のより一層の向上を図る。【解決手段】気筒の燃焼室内における混合気の燃焼中に、燃焼室内に臨むアンテナから当該燃焼室内に電界を放射し、その反射波の大きさが判定閾値を下回っていることを条件として、現在の燃焼条件よりも燃費性能を向上させることが可能な燃焼条件へと移行する、例えば、吸気に混入するＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスの量をより増加させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒の燃焼室内における混合気の燃焼中に、燃焼室内に臨むアンテナから当該燃焼室内に電界を放射し、その反射波の大きさが判定閾値を下回っていることを条件として、現在の燃焼条件よりも燃費性能を向上させることが可能な燃焼条件に移行することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合気の燃焼温度を低下させてＮＯxの排出量を削減しつつ、ポンピングロスの低減を図るＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯した内燃機関が周知である（例えば、下記特許文献１を参照）。ＥＧＲ装置は、排気経路と吸気経路とをＥＧＲ通路を介して接続し、気筒で発生する燃焼ガスの一部を当該ＥＧＲ通路経由で吸気経路に還流させて吸気に混入するものである。
【０００３】
ＥＧＲを行うことにより、エミッションの良化及び燃費性能の向上を実現することが可能である。だが、その一方で、吸気に混入するＥＧＲガスの量が過多となると、混合気の燃焼が不安定化し、時には失火してしまうこともある。
【０００４】
近時では、気筒の燃焼室内にある混合気に確実に着火して安定した火炎を得るべく、点火プラグにおける火花放電の惹起とともに、マグネトロンが出力するマイクロ波若しくは高周波発振器が出力する高周波を燃焼室内に放射する新たな着火法が試みられている（例えば、下記特許文献２または３を参照）。この着火法によれば、点火プラグの中心電極と接地電極との間の空隙にマイクロ波若しくは高周波電界が形成され、この電界中で発生したプラズマが成長して、火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きな火炎核を生成することができる。
【０００５】
エミッション及び燃費性能に対する要求は益々高まっており、ＥＧＲガスの還流量も増大する傾向にある。上に述べた着火法を適用すれば、ＥＧＲに起因した燃焼の不安定化の問題を緩和ないし解消できると思われる。
【０００６】
しかしながら、混合気の燃焼の安定性に対しては、内燃機関の気筒の温度とともに、気筒に充填される吸気の温度や湿度、ＥＧＲガスの温度、噴射される燃料の温度等といった多様な因子が影響を及ぼす。故に、現状のところは、ＥＧＲガスを吸気に混入しても燃焼が不安定化するおそれの乏しい運転領域に限定してＥＧＲを行うようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２４５１０７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１５９４７７号公報
【特許文献３】特開２０１１−０６４１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関の燃費性能のより一層の向上を図ることを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、気筒の燃焼室内における混合気の燃焼中に、燃焼室内に臨むアンテナから当該燃焼室内に電界を放射し、その反射波の大きさが判定閾値を下回っていることを条件として、現在の燃焼条件よりも燃費性能を向上させることが可能な燃焼条件に移行することを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。
【００１０】
混合気の燃焼が安定しており、燃焼室内にイオンやプラズマが十分に発生している状況で、アンテナからマイクロ波や高周波等の電界を放射すると、その電力がイオンまたはプラズマに吸収されて消費されることから、反射波の大きさは小さくなるはずである。翻って、混合気の燃焼が不安定であると、燃焼室内にイオンやプラズマが十分には発生せず、アンテナから放射した電界の電力が消費されにくくなるので、反射波が大きくなるものと予想される。
【００１１】
つまり、反射波の強度から、燃焼室内での混合気の燃焼の安定度合いを評価することができる。そして、現在の燃焼が安定的であると評価されたならば、燃費性能がより向上する燃焼条件へと移行する（例えば、吸気のＥＧＲ率を高める（吸気に混入されるＥＧＲガス量を増大させる）、燃料噴射量を減量する（混合気の空燃比をリーン化する）等）ことを許容することとしたのである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、車両等に搭載される内燃機関の燃費性能のより一層の向上を図り得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態における内燃機関、電界発生装置及びその制御装置の構成を示す図。
【図２】同実施形態における内燃機関の気筒の燃焼室内に電磁波を放射するアンテナの例を示す図。
【図３】同実施形態の制御装置が実施する処理の手順例を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。この内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。
【００１５】
本実施形態の内燃機関には、点火の際に気筒１の燃焼室内でプラズマを生成する目的で、燃焼室内に電界を発生させる電磁波放射部を付設している。本実施形態における電磁波放射部は、燃焼室内にマイクロ波電界を印可するものであり、車載バッテリを電源としてマイクロ波を発生させるマグネトロン１４及びこれを制御する制御回路１５と、マグネトロン１４が発生させたマイクロ波を伝送する伝送回路１６と、伝送回路１６に接続したアンテナ１７とを要素とする。
【００１６】
制御回路１５は、本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０から出力される制御信号ｌを受け、この制御信号ｌに基づいてマグネトロン１４が発振するマイクロ波の電力及びその発振時期を制御する。
【００１７】
伝送回路１６は、マイクロ波を伝搬させることのできる導波管や同軸ケーブル等を主体とする。この伝送回路１６には、アイソレータ１８及びパワーメータ１９が付随している。アイソレータ１８は、アンテナ１７からの反射波を吸収してマグネトロン１４を安定的に動作させるための保護機器であり、マグネトロン１４とアンテナ１７との間に介在している。
【００１８】
アイソレータ１８は、サーキュレータとダミーロードとからなる。サーキュレータは、マグネトロン１４から発振される入射電力と、アンテナ１７から返ってくる反射電力とを、導波管または同軸ケーブル等のＴ字部（または、分岐部）に設けたフェライト及び磁界の作用により分離する。そして、入射電量を殆ど損失なしにアンテナ１７へと伝送する一方、反射電力をダミーロード側へと導入する。ダミーロードは、例えば反射電力を水等により吸収し熱として排出する水冷式のものである。ダミーロードは、導波管または同軸ケーブル等の終端に接続しており、余剰のマイクロ波エネルギを効率よく吸収する。
【００１９】
パワーメータ１９は、マグネトロン１４からアンテナ１７に向けて伝搬する入射電力と、アンテナ１７から返ってくる反射電力とを分けて検出する。パワーメータ１９は、導波管または同軸ケーブル等の中途に挿入してある。このパワーメータ１９は、方向性結合器、同軸無反射終端器、マイクロ波用ダイオードであるクリスタルマウント、電流計、同軸ケーブル等を用いて構成される既知のものである。本実施形態では、双方向性結合器の進行波検出ポート及び反射波検出ポートの各々にクリスタルマウント、同軸無反射終端器及び電流計を接続することで入射電力及び反射電力の双方を同時に読み取り可能な態様のパワーメータ１９を採用している。
【００２０】
アンテナ１７は、その一部が気筒１の燃焼室内に露出し、マグネトロン１４から発振され伝送回路１６を伝搬するマイクロ波を気筒１の燃焼室内に放射する。アンテナ１７は、例えば図２に示すように、燃焼室の天井の点火プラグ１３付近に配設したモノポール型アンテナであり、先端部を燃焼室内に表出させ、その他の部分を絶縁体により被覆してある。アンテナ１７の先端面は、燃焼室の内面と略面一とする。尤も、アンテナ１７の形状及び配設位置は一意には限定されない。
【００２１】
電界発生装置であるマグネトロン１４が発振する高周波電圧は、通常、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前または火花放電開始直後に、アンテナ１７に印加する。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の周囲の空間に、マイクロ波電界が形成される。そして、マイクロ波電界と火花放電との相互作用を通じて、プラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きなラジカルプラズマ火炎核を生成する。
【００２２】
上記の自走、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ちプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎核も大きくなるのである。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。
【００２３】
内燃機関の気筒１に吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００２４】
気筒１から排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００２５】
本実施形態の内燃機関には、外部ＥＧＲ装置２が付帯している。外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。
【００２６】
また、内燃機関には、その吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉のタイミングを可変制御できる可変バルブタイミング機構（図示せず）が付帯していることがある。可変バルブタイミング機構の具体的態様としては、クランクシャフトに対する吸気カムシャフト及び／または排気カムシャフトの回転位相を液圧により進角／遅角させるもの、吸気バルブ及び／または排気バルブを電磁ソレノイドバルブとしたもの、吸気バルブ及び／または排気バルブを開弁駆動するカムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが可能である。
【００２７】
可変バルブタイミング機構により、吸気バルブと排気バルブとがともに開弁している期間の長さであるバルブオーバラップ量を大きくとれば、排気行程から吸気行程に跨る時期に気筒１の燃焼室内に既燃焼ガスを残留させて吸気に混交する内部ＥＧＲを実施することができる。
【００２８】
内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００２９】
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｆ、マグネトロン１４から発される入射波の強度及びアンテナ１７から返ってくる反射波の強度を検出するパワーメータ１９から出力される入射波信号ｇ及び反射波信号ｈ等が入力される。
【００３０】
出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、マグネトロン１４の制御回路１５に対してマイクロ波発生指令信号ｌ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｍ等を出力する。
【００３１】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、燃焼室内に電界を発生させるか否かやその電界の強度、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。
【００３２】
ＥＣＵ０は、原則として、内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に充填される吸気量、燃料噴射量等）］に応じて、ＥＧＲを行うか否か、またＥＧＲを行う場合のＥＧＲ率を決定する。
【００３３】
アクセル開度が全開または全開に近い全負荷領域や、アクセル開度が全閉または全閉に近い極低負荷領域（アイドリング中を含む）では、ＥＧＲを行わない。即ち、ＥＧＲバルブ２３を全閉とし、バルブオーバラップ量を最小または０とする。尤も、高回転域では、吸気の流速に合わせて吸気バルブの開弁タイミングを早めるので、バルブオーバラップ量はやや大きくなる。
【００３４】
全負荷領域と極低負荷領域との間の運転領域（低負荷領域、中負荷領域、中高負荷領域）では、ＮＯxの排出量の削減及びポンピングロスの低減を企図して、ＥＧＲを行う。その際の要求ＥＧＲ率は、中負荷領域において最も高く、そこから低負荷側または高負荷側に偏倚するほど低くなる傾向にある。
【００３５】
しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、全負荷領域と極低負荷領域との間の運転領域において、そのときの混合気の燃焼の安定度合いを評価し、混合気の燃焼が不安定化しない限度においてＥＧＲ率を増大させる制御を実施する。
【００３６】
図３に、全負荷領域と極低負荷領域との間の運転領域においてＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示している。ＥＣＵ０は、エンジン回転数及びアクセル開度、内燃機関の冷却水温等に応じて要求ＥＧＲ率を決定する（ステップＳ１）。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及びアクセル開度、冷却水温等と、要求ＥＧＲ率との関係を規定したマップデータが格納されている。ステップＳ１にて、ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数、アクセル開度、冷却水温等をキーとして当該マップを検索することで、適正な要求ＥＧＲ率を知得する。
【００３７】
そして、その要求ＥＧＲ率を実現するべく、ＥＧＲバルブ２３の開度を操作し（ステップＳ２）、及び／または、可変バルブタイミング機構を駆動してバルブオーバラップ量を調整する。このときの混合気への着火は、点火プラグ１２における火花放電のみによる（ステップＳ３）。
【００３８】
その上で、ＥＣＵ０は、火花点火により着火した混合気の燃焼中に、アンテナ１７からマイクロ波を放射し（ステップＳ４）、その反射波をパワーメータ１９を介して計測して、反射波の大きさ（特に、マグネトロン１４からアンテナ１７に向けて伝搬する入射電力に対する、アンテナ１７から返ってくる反射電力の比）と判定閾値とを比較する（ステップＳ５）。ステップＳ４の電界放射は、後述するステップＳ８のそれとは異なり、混合気の着火燃焼のためではなく、専ら燃焼室内における燃焼状態の検査のためであるので、ステップＳ８と比較して電界放射の強度は低くしてもよい。
【００３９】
気筒１の燃焼室内で混合気が燃焼すると、その燃焼に起因して燃焼室内にイオンやプラズマが発生する。混合気の燃焼が安定している場合、十分な量のイオンやプラズマが燃焼室内に存在することになるから、アンテナ１７から燃焼室内に放射されたマイクロ波がイオンやプラズマに吸収されて、その電力が消費される。従って、計測される反射波は小さくなるはずである。
【００４０】
翻って、混合気の燃焼が不安定であるほど、燃焼室内に発生するイオンやプラズマの量は少なくなり、燃焼室内に放射されたマイクロ波がイオンやプラズマに吸収されなくなる。従って、計測されるマイクロ波の反射波が大きくなる。
【００４１】
故に、ステップＳ５にて、反射波の大きさが判定閾値を下回っているならば、現在の気筒１の燃焼室内は混合気が安定的に燃焼し得る状態となっており、ＥＧＲガスの増量に対して未だ余裕があると評価することができる。よって、それまでよりも要求ＥＧＲ率を高く設定する（ステップＳ６）。ステップＳ６における要求ＥＧＲ率の決定手法自体は、ステップＳ１に準じる（即ち、マップデータを参照する）。
【００４２】
そして、その要求ＥＧＲ率を実現するべく、ＥＧＲバルブ２３の開度を操作し（ステップＳ７）、及び／または、可変バルブタイミング機構を駆動してバルブオーバラップ量を調整する。多量のＥＧＲガスを混入した混合気を確実に燃焼させるために、このときの着火においては、点火プラグ１２による火花放電と、アンテナ１７からのマイクロ波の放射とを併用する（ステップＳ８）。当該ステップＳ８では、火花点火の直前、火花点火と同時、または火花点火の直後のタイミングにて、アンテナ１７から燃焼室内にマイクロ波を放射し、プラズマ火炎核を成長させる。
【００４３】
逆に、ステップＳ５にて、反射波の大きさが判定閾値以上となっているならば、現在の気筒１の燃焼室内は混合気が安定的に燃焼し得る状態とは断言できず、これ以上ＥＧＲガス量を増量すると失火を招く懸念があるものと考えられる。よって、要求ＥＧＲ率をより高く設定することはしない。
【００４４】
ステップＳ５における判定閾値は、そのときの内燃機関の運転領域に応じて異なり得る。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数及びアクセル開度等と、判定閾値との関係を規定したマップデータが格納されている。ステップＳ５にて、ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数及びアクセル開度等をキーとして当該マップを検索し、判定閾値を知得して、反射波の大きさと比較する。
【００４５】
本実施形態では、気筒１の燃焼室内に臨むアンテナ１７を介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火することが可能な火花点火式内燃機関を制御するものであって、気筒１の燃焼室内における混合気の燃焼中に、燃焼室内に臨むアンテナ１７から当該燃焼室内に電界を放射し、その反射波の大きさが判定閾値を下回っていることを条件として、現在の燃焼条件よりも燃費性能を向上させることが可能な燃焼条件に移行する、具体的には要求ＥＧＲ率（ＥＧＲ量）をより高めた運転状態へと移行する内燃機関の制御装置０を構成した。
【００４６】
本実施形態によれば、混合気の燃焼の安定性を担保して失火の発生を抑止しながらも、内燃機関の燃費性能をより一層追求することが可能となる。
【００４７】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、アンテナ１７から放射した電界の反射波の大きさが判定閾値未満であった場合において、それまでよりも混合気に混入するＥＧＲガスの量を増大させるものとしていたが、ＥＧＲガス量の増大とともに、またはＥＧＲガス量の増大に代えて、燃料噴射量（気筒１に充填される吸気量に対する燃料噴射量の比率）を減量することにより、より燃費性能を向上させることが可能な燃焼条件へと移行するものとしてもよい。また、その際にも、点火プラグ１２による火花放電とアンテナ１７からの電界放射とを併用して、混合気に着火することが好適である。
【００４８】
気筒１の燃焼室内で電界を発生させる電界発生装置は、マグネトロン１４には限定されない。電界発生装置として、高周波の交流電圧を出力してアンテナに印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を出力してアンテナに印加する脈流電圧発生回路等を採用してもよい。
【００４９】
電界発生装置として脈流電圧発生回路を採用する場合、当該脈流電圧発生回路は周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その波形も任意であってよい。脈流電圧は、基準電圧（０Ｖであることがある）から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧、交流電圧を半波整流した電圧、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等をおしなべて含む。電界発生装置が発振する高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚないし３０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐないし１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。
【００５０】
上記実施形態における内燃機関は、点火プラグ１２とは別に電解放射用のアンテナ１７を実装しているものであったが、電界発生装置が出力するマイクロ波若しくは高周波を点火プラグ１２の中心電極に印加し、その中心電極から気筒１の燃焼室内に電界を放射する、即ち点火プラグ１２の中心電極をアンテナとして利用するものであってもよい。
【００５１】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用できる。
【符号の説明】
【００５３】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１７…アンテナ
１９…パワーメータ
【図１】
2014185543.tif 000003
【図２】
2014185543.tif 000004
【図３】
2014185543.tif 000005