(57)【要約】【課題】多重点火方式において、良好な希薄燃焼を簡易に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ＯＦＦ遷移動作を複数回繰返すスイッチング素子Ｑと、ＯＦＦ遷移動作時に点火トランスＴに誘起される高電圧を受けて点火放電する点火プラグＰＧと、点火放電時における点火トランスの電圧値を信号検出値として取得する信号検出部と、良好な希薄燃焼を臨界的に実現する点火放電時毎の目標値を、個々の運転条件毎に記憶する記憶部ＭＥＭと、一点火サイクルにおける二個目以降の点火放電時の信号検出値を目標値と比較し、目標値に一致するように、空気吸入量、及び／又は、燃料供給量を調整する燃焼制御部ＣＯＭと、を設けた。【選択図】図１
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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遷移動作を複数回繰返して、前記一次コイルの電流を制御するスイッチング素子と、
前記遷移動作時に前記点火トランスに誘起される高電圧を受けて燃焼室内で点火放電する点火プラグと、
前記点火放電時における前記点火トランスの電流値又は電圧値を、信号検出値として取得する信号検出部と、
良好な希薄燃焼を臨界的に実現する前記点火放電時毎の目標値を、個々の運転条件毎に記憶する記憶部と、
一点火サイクルにおける二個目以降の点火放電時の信号検出値を前記目標値と比較し、前記目標値に一致するように、空気吸入量、及び／又は、燃料供給量を調整する燃焼制御部と、
を設けたことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
前記目標値は、良好な希薄燃焼を実現する臨界状態において複数回取得された前記信号検出値の平均値に基づいて決定される請求項１に記載の燃焼制御装置。
【請求項３】
前記目標値は、良好な希薄燃焼を実現する臨界状態において複数回取得された前記信号検出値の平均値と偏差とに基づいて、その最低値と最高値とが決定される請求項１に記載の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記燃焼制御部は、複数回の比較処理によって失火状態を検出して、当該点火サイクルにおいて燃料供給量を増加させる請求項１〜３の何れかに記載の制御装置。
【請求項５】
前記燃焼制御部は、複数回の比較処理によって失火状態を検出して、次回の点火サイクルにおいて空気吸入量、及び／又は、燃料供給量を調整する請求項１〜３の何れかに記載の制御装置。
【請求項６】
前記燃焼制御部は、複数回の比較処理において、前記信号検出値と前記目標値との偏差の絶対値が、順次増加傾向となる場合には失火状態であると判定する請求項４又は５に記載の燃焼制御装置。
【請求項７】
遅角制御時には、前記燃焼制御部は、複数回の比較処理において、前記信号検出値の絶対値が、前記目標値の絶対値より下回る状態で、前記信号検出値と前記目標値との偏差の絶対値が増加傾向となる場合には失火状態であると判定する請求項６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、空燃比のリーン状態や、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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、多重点火方式において、良好な希薄燃焼を実現する最適な制御方法は未だ知られていない。すなわち、空燃比を限界までリーン側に制御しても、正常な燃焼状態を維持できる制御方法は未だ確立されていない。
【０００４】
また、従来は、良好な希薄燃焼を実現するには、排気ガスの状態を把握するためのＯ２センサやＡ／Ｆセンサが不可欠であると考えられており、これらのセンサを使用しない制御方法も知られていない。
【０００５】
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、良好な希薄燃焼を簡易に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】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明者は、希薄燃焼時と遅角制御時における燃焼状態と失火状態の境界領域を、点火トランスからの検出信号に基づいて把握するべく種々の燃焼実験を繰返した。
【０００７】
具体的には、多重点火方式において、理論空燃比からリーン側に空燃比を段階的に変化させ、空燃比以外の条件を同一にして内燃機関を動作させて、点火トランスの二次電流や二次電圧の挙動を、燃焼室の圧力変化と共に詳細に検討した。なお、所定の空燃比に設定しても、実際には、燃焼室内の空燃比が設定値から多少ずれるので、複数回の点火サイクルの取得データを統計的に検討した。
【０００８】
また、理論空燃比において、多重点火の点火開始時期を種々遅角させ、点火開始時期以外の条件を同一にして内燃機関を動作させて、点火トランスの二次電流や二次電圧の挙動を、燃焼室の圧力変化と共に詳細に検討した。
【０００９】
その結果、空燃比がリーンであるほど、多重点火における二回目以降の点火放電時の二次電圧（絶対値）が平均的にやや増加すること、また、二次電流についても、失火時には、そのレベルが有意に増加することが確認された。特に特徴的には、空燃比がリーン状態であるほど、多重点火における二回目以降の点火放電時の二次電圧のバラツキが有意に増加することが確認された。なお、本明細書において、点火放電時とは、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容量放電区間を意味する。
【００１０】
一方、点火開始時期を遅角させた実験では、遅角制御によって燃焼状態が悪化するほど、多重点火における二回目以降の点火放電時の二次電圧（絶対値）が、点火動作毎に順次平均的に減少傾向となることが確認された。
【００１１】
本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであって、良好な希薄燃焼を実現すると実験的に確認された臨界状態での二次電圧や二次電流の目標値を、運転条件毎に設定することで臨界的に良好なリーン燃焼を可能にした。
【００１２】
すなわち、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遷移動作を複数回繰返して、前記一次コイルの電流を制御するスイッチング素子と、前記遷移動作時に前記点火トランスに誘起される高電圧を受けて燃焼室内で点火放電する点火プラグと、前記点火放電時における前記点火トランスの電流値又は電圧値を、信号検出値として取得する信号検出部と、良好な希薄燃焼を臨界的に実現する前記点火放電時毎の目標値を、個々の運転条件毎に記憶する記憶部と、一点火サイクルにおける二個目以降の点火放電時の信号検出値を前記目標値と比較し、前記目標値に一致するように、空気吸入量、及び／又は、燃料供給量を調整する燃焼制御部と、を設けたことを特徴とする。
【００１３】
本発明において、「良好な希薄燃焼」とは、エンジンに異常な振動が発生せず、且つ、排気ガスにも問題が無い正常運転状態を意味し、「臨界的に実現する」とは、混合気が最も希薄である状態を意味する。臨界的に良好な希薄燃焼時における信号検出値、つまり目標値は、予め実験的に初期値が特定されるが、内燃機関の正常動作時に取得された信号検出値に基づいて学習を繰り返し、臨界的に良好な希薄燃焼を実現する目標値を、内燃機関の動作環境の変化（外気温の変化など）に追随して変化させるのが好ましい。
【００１４】
なお、本発明の目標値は、必ずしも単一の値である必要はなく、例えば、最低値と最高値とで規定される目標範囲なども含んだ概念である。但し、以下の説明では、不明確さを避けるために、目標値と目標範囲の用語を区別して使用することがある。
【００１５】
何れにしても、本発明では、点火トランスの電圧値や電流値に基づいて空燃比を調整するので、排気ガスの酸素濃度を検出するＯ２センサや、空燃比を検出するＡ／Ｆセンサなどを省略することも可能となる。
【００１６】
好適には、信号検出値の目標値は、良好な希薄燃焼を実現する臨界状態において複数回取得された信号検出値の平均値に基づいて決定される。更に好適には、目標値は、良好な希薄燃焼を実現する臨界状態において複数回取得された信号検出値の平均値と偏差とに基づいて、その最低値と最高値とが決定される。このような実施態様では、最低値と最高値とで特定される信号検出値の目標範囲が規定されることになる。
【００１７】
先に説明した通り、本発明者の研究によれば、良好な希薄燃焼時には、一点火サイクルにおける二回目以降の点火放電時の信号検出値がほぼ一定レベルであるが、燃焼状態が悪化するほど、信号検出値のバラツキが増加することが確認されている。したがって、信号検出値と目標値との偏差が大きいか否か、或いは、信号検出値が目標範囲から大きく外れるか否かによって燃焼状態の悪化や失火状態を判定することができる。
【００１８】
例えば、一点火サイクル中において、複数回取得された信号検出値が、一貫して目標範囲に含まれる場合には良好な希薄燃焼が実現されていると判定できるので、それ以降の点火放電動作を中止することができる。逆に、一点火サイクル中において、複数回取得された信号検出値が、一貫して目標範囲から外れている場合には、失火状態であると判定される。
【００１９】
一方、本発明者の研究によれば、遅角制御時に失火状態となると、点火放電時の信号検出値の絶対値が減少傾向となることが判明している。したがって、遅角制御時には、信号検出値の絶対値が、目標値や目標範囲の絶対値を下回る状態で、信号検出値と目標値や目標範囲との偏差が増加傾向となる場合には失火状態であると判定することができる。
【００２０】
そして、前記燃焼制御部は、当該点火サイクルにおける複数回の比較処理によって失火状態の可能性を検出した場合には、当該点火サイクルにおいて燃料供給量を増加させるのが好ましい。例えば、燃焼室に直接燃料を噴射する直噴エンジンでは、このようなリアルタイムな燃焼制御が可能となる。一方、燃焼室に混合気が供給される一般のエンジンでは、燃焼制御部は、当該点火サイクルにおける複数回の比較処理によって失火状態の可能性を検出した場合には、次回の点火サイクルにおいて空気吸入量、及び／又は、燃料供給量を大幅に調整する。
【発明の効果】
【００２１】
上記した本発明の燃焼制御装置によれば、安定した希薄燃焼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。そして、Ｏ２センサやＡ／Ｆセンサを省略することもできる。また、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、点火プラグや点火トランスの高寿命化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例に係る燃焼制御装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２】燃焼実験結果の一部を示すグラフである。
【図３】燃焼実験結果の一部を示すグラフである。
【図４】燃焼実験結果の一部を示すグラフである。
【図５】燃焼実験結果の一部を示すグラフである。
【図６】燃焼実験結果の一部を示すグラフである。
【図７】燃焼実験結果の一部を示すグラフである。
【図８】燃焼実験結果の一部を示すグラフである。
【図９】実施例に係る燃焼制御装置の動作内容を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施例について説明する。図１（ａ）は、実施例に係る燃焼制御装置の基本構成を示すブロック図である。
【００２４】
図示の通り、この燃焼制御装置は、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、点火パルスＳＧを受けて一点火サイクル中にＯＦＦ遷移動作を複数回繰返すスイッチング素子Ｑと、スイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移動作時に点火トランスＴに誘起される高電圧を受けて点火放電する点火プラグＰＧと、点火トランスＴの二次電圧Ｖ２を、降圧回路ＤＰを経由して受けるＡＤ変換器ＡＤＣと、臨界的に良好な希薄燃焼時にＡＤ変換器ＡＤＣから検出される放電動作時のデータ検出範囲（希薄燃焼時の目標範囲）を運転条件毎に記憶する記憶回路ＭＥＭと、内燃機関の動作全体を制御するコンピュータ回路ＣＯＭとを有して構成されている。
【００２５】
コンピュータ回路ＣＯＭは、点火パルスＳＧの供給動作を含んで内燃機関の動作全体を制御するが、本実施例のコンピュータ回路ＣＯＭは、特に、ＡＤ変換器ＡＤＣからの点火放電時のデータ検出値を、希薄燃焼時の目標範囲と対比して、臨界的に良好な希薄燃焼を実現するべく適切な空燃比に制御している。
【００２６】
ここで、臨界的に良好な希薄燃焼とは、内燃機関に異常な振動が生じず、排気ガスも正常レベルである条件で、空燃比が最もリーンな状態を意味する。そして、記憶回路ＭＥＭには、臨界的に良好な希薄燃焼を実現している場合にＡＤ変換器ＡＤＣから得られるはずの点火放電時のデータ検出値について、その最低値ＭＩＮｉと最高値ＭＡＸｉとが、一点火サイクル中の一連の点火放電タイミング毎に記憶されている。この数値範囲（ＭＩＮｉ，ＭＡＸｉ）は、内燃機関の負荷や回転数などの運転条件毎に規定されており、その時々の運転条件に基づいて、一点火サイクル中に参照すべき一連の数値範囲（ＭＩＮ１，ＭＡＸ１）・・・（ＭＩＮＮ，ＭＡＸＮ）が特定される。
【００２７】
図２〜図６は、上記の数値範囲（ＭＩＮｉ，ＭＡＸｉ）を決めるための実験結果のごく一部を図示したものである。なお、図１（ｂ）は、燃焼実験で使用した回路構成を図示している。図１（ａ）と同様の回路構成において、点火トランスＴの二次電圧Ｖ２を把握すると共に、電流検出抵抗Ｒｓの両端電圧を取得して点火トランスＴの二次電流Ｉ２も把握している。また、燃焼室の圧力を検出する圧力センサや、燃焼状態の良否を検出するための各種のセンサ出力も取得して、点火トランスＴの二次電圧Ｖ２や二次電流Ｉ２との関係を評価した。
【００２８】
先ず、図２は、理論空燃比Ａ／Ｆ＝１４．７を維持する条件で、試験機を所定の運転条件下で運転して、二次電圧（ａ）と二次電流（ｂ）と圧力波（ｃ）との関係を示している。ここでは、一点火サイクル中に８回の多重点火を実行し、このような点火サイクルを、同一の運転条件で複数回繰り返した。そして、複数回の点火サイクルにおける点火トランスＴの二次電圧Ｖ２の平均値を図２（ｄ）に示し、この二次電圧Ｖ２の平均値からの偏差（絶対値）の平均値を図２（ｅ）に示している。
【００２９】
また、図３と図４は、図２の場合と同一の運転条件で、空燃比だけをリーン側に変化させた場合の実験結果であり、各々、空燃比Ａ／Ｆ＝１７と、空燃比Ａ／Ｆ＝２２とを維持して実験している。一方、図５は、燃料を供給しないで強制的に失火状態にした場合の同様の実験結果を示している。
【００３０】
図２〜図５の二次電圧の平均値を参照すると、二回目以降の点火放電時の二次電圧Ｖ２は、点火放電毎に、その絶対値が平均的にやや増加するものの、失火状態を除いてほぼ安定していることが確認される。これに対して、二次電圧Ｖ２の偏差を検討すると、空燃比がリーン側に移行して燃焼条件が悪化するほど、偏差が大きくなることが確認される。
【００３１】
この特徴は、これを言い換えると、良好な燃焼時には、二回目以降の点火放電時の二次電圧Ｖ２がほぼ安定しているのに対して、燃焼が悪化するほど二次電圧が安定しないことを意味する。そして、このような傾向は、運転条件を変えた多数の実験でも同様の傾向が認められた。
【００３２】
そこで、本実施例では、二回目以降の点火放電時の二次電圧Ｖ２の平均値Ｍｉと標準偏差σｉとに基づいて、一点火サイクル中の各点火放電時の二次電圧Ｖ２の目標範囲（ＭＩＮｉ，ＭＡＸｉ）を特定し、その目標範囲に入るよう空燃比を調整する燃焼制御を実行している。なお、目標範囲の上限ＭＡＸｉと下限ＭＩＮｉは、例えば、Ｍｉ±Ｋｉ＊σｉと規定され、調整係数Ｋｉは実験的に確定される。
【００３３】
また、図６は、理論空燃比Ａ／Ｆ＝１４．７、且つ、点火開始時期のクランク角が上死点前２４度の条件で試験機を運転して、二次電圧（ａ）と二次電流（ｂ）と圧力波（ｃ）との関係を示している。ここでは、一点火サイクル中に８回の多重点火を実行し、このような点火サイクルを、同一の運転条件で複数回繰り返した。そして、複数回の点火サイクルにおける点火トランスＴの二次電圧の平均値を図６（ｄ）に示し、平均値からの最大偏差を図６（ｅ）に示している。
【００３４】
また、図７と図８は、図６の場合と同一の運転条件で、点火開始時期だけを上死点側に遅角させた場合の実験結果であり、各々、点火開始時期のクランク角が、上死点前１２度と上死点前０度である場合の実験結果を示している。
【００３５】
図６〜図８の実験結果を参照すると、点火開始時期を遅角するほど、二回目以降の点火放電時の二次電圧Ｖ２は、点火放電毎に、その絶対値がやや減少すること、つまり、二次電圧の絶対値が減少傾向となることが確認される。したがって、本実施例では、遅角制御時には、信号検出値の絶対値が、目標値や目標範囲の絶対値を下回る状態で、信号検出値と目標値や目標範囲との偏差が増加傾向となる場合には燃焼状態が大きく悪化していると判定している。また、点火開始時期を遅角させるほど、一回目の点火放電時の二次電圧Ｖ２は、その絶対値が増加するが、これは燃焼室内の圧力増加に起因していると考えられる。
【００３６】
本実施例の燃焼制御装置は、上記のような知見に基づいて動作するが、図９は、直噴エンジンにおいてコンピュータ回路ＣＯＭが実施する燃焼制御内容を説明するフローチャートである。
【００３７】
先ず、点火パルスＳＧの立下りタイミングに達したか否かを判定し（ＳＴ１）、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容量放電区間の間だけ、点火トランスＴの二次電圧Ｖ２に対応する信号を取得して記憶する（ＳＴ２〜ＳＴ４）。ここでは、一点火サイクルにおける第Ｎ回目の点火放電時のデータが取得されたことにする。
【００３８】
次に、第Ｎ回目の点火放電時に取得された一群のデータの最大値（ピーク値）を特定し、その最大値が、予め決定されている当該点火放電時の目標範囲に含まれているか否かを判定する（ＳＴ５）。ここで、目標範囲に含まれていない場合には、失火状態の可能性がある。そこで、当該点火サイクルにおける第２回目から第Ｎ−１回目までにおける点火放電時での判定結果も踏まえて総合評価し、例えば、一貫して失火状態が強く推定されるような場合には、燃料を追加して噴射する（ＳＴ６）。
【００３９】
一方、当該点火サイクルにおける複数回の点火放電時での判定処理において、取得データの最大値が、一貫して目標範囲に含まれる場合には、その後の点火放電動作を停止するべく燃焼制御される。
【００４０】
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る。
【符号の説明】
【００４１】
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
ＭＥＭ  記憶部
ＣＯＭ  燃焼制御部
【図１】
2011007130.tif 000003
【図９】
2011007130.tif 000004
【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】
2011007130.tif 000009
【図７】
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【図８】
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