(57)【要約】【課題】容易な方法で放電プラズマ長及び筒内流動速度を精度よく推定することができる内燃機関の制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】２次コイルにより生じた電圧である２次電圧Ｖ２を検出する２次電圧検出部５２と、放電期間中の２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎを算出する２次電圧最小値算出部５３と、２次電圧Ｖ２、及び２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎに基づいて、放電プラズマの長さＬを算出する放電プラズマ長算出部５４と、放電プラズマの長さＬの時間変化とクーロン力に基づいて筒内流動速度ｖａを算出する筒内流動算出５８と、を備えた内燃機関の制御装置５０。【選択図】図３
2019007436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に配置されたプラグギャップを有する点火プラグと、直流電源からの電力が供給される１次コイル及び前記１次コイルよりも巻き数が多く、前記点火プラグに供給する高圧電圧を発生する２次コイルを有する点火コイルと、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記２次コイルに高圧電圧を発生させ、前記プラグギャップに火花放電を発生させるために、前記１次コイルと前記直流電源とを通電後遮断する点火コイル制御部と、
前記２次コイルにより生じた電圧である２次電圧を検出する２次電圧検出部と、
検出した前記２次電圧に基づいて、放電期間中の前記２次電圧の最小値を算出する２次電圧最小値算出部と、
前記２次電圧、及び前記２次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを算出する放電プラズマ長算出部と、
前記放電プラズマの長さの時間変化と前記放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力とに基づいて、前記燃焼室内の気体の流動速度である筒内流動速度を算出する筒内流動算出部と、を備えた内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記筒内流動算出部は、前記放電プラズマの長さの時間変化に基づいて、筒内流動による前記放電プラズマの伸長により、前記放電プラズマの中間部が筒内流動の方向に移動する移動速度を算出し、
前記２次電圧及び前記放電プラズマの長さに基づいて、前記クーロン力により前記放電プラズマに作用するマクスウェルの応力を算出し、
前記放電プラズマの中間部の前記移動速度及び前記マクスウェルの応力に基づいて、前記筒内流動速度を算出する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記筒内流動算出部は、前記放電プラズマの長さの時間変化率を２で除算した値を、前記放電プラズマの中間部の前記移動速度として算出し、
前記マクスウェルの応力をｐｍとし、前記２次電圧をＶ２とし、前記放電プラズマの長さをＬとし、予め設定された真空の誘電率をε０として、
ｐｍ＝１／２×ε０×（Ｖ２／Ｌ）２
の算出式により、前記マクスウェルの応力を算出する請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記筒内流動算出部は、前記放電プラズマの中間部の前記移動速度に、前記マクスウェルの応力に応じた値を加算した値を、前記筒内流動速度として算出する請求項２又は３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記筒内流動算出部は、前記筒内流動速度をｖａとし、前記放電プラズマの中間部の前記移動速度をｖｐとし、前記マクスウェルの応力をｐｍとし、前記燃焼室内の気体の密度をρとし、予め設定された換算係数をＫとして、
ｖａ＝√（ｖｐ２＋Ｋ×ｐｍ／ρ）
の算出式により、前記筒内流動速度を算出する請求項２又は３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記放電プラズマ長算出部は、前記放電プラズマの長さをＬとし、前記２次電圧をＶ２とし、前記２次電圧の最小値をＶ２０とし、予め設定された前記プラグギャップの長さをＬｇとし、１．０から３．０の範囲内の値に設定されたべき指数をｎとして、
Ｌ＝Ｌｇ×（Ｖ２／Ｖ２０）ｎ
の算出式により、前記放電プラズマの長さを算出する請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記べき指数は、２．０に設定されている請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記放電プラズマ長算出部は、点火時点の前記燃焼室内の圧力に相関する内燃機関の運転状態に応じて、前記べき指数を１．０から３．０の範囲内で変化させる請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記筒内流動速度に基づいて、前記燃焼室内の流動の強弱を表す流動相関値を算出する流動相関値算出部と、
前記流動相関値に基づいて、前記燃焼室内の流動が強いか弱いかを判定し、流動が強いと判定した場合は、前記燃焼室内の流動を操作可能な流動操作機構を、流動を弱める側に制御し、流動が弱いと判定した場合は、前記流動操作機構を、流動を強める側に制御する流動制御部と、を更に備える請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記筒内流動速度に基づいて、前記燃焼室内の流動の強弱を表す流動相関値を算出する流動相関値算出部と、
前記流動相関値に基づいて、前記燃焼室内の流動が強いか弱いかを判定し、流動が強いと判定した場合は、前記点火コイル制御部に指令して、前記点火プラグに供給される点火エネルギーを増大させる点火エネルギー増大部と、を更に備える請求項１から９のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
前記放電プラズマ長算出部は、放電期間中の前記放電プラズマの長さに基づいて、放電期間中に前記放電プラズマが途切れた回数である吹き飛び回数を算出し、
前記流動相関値算出部は、前記筒内流動速度及び前記吹き飛び回数に基づいて、前記流動相関値を算出する請求項９又は１０に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
前記流動操作機構は、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構、及び吸気ポートの一部を塞いで前記燃焼室内にスワール流動又はタンブル流動を生じさせる吸気ポートバルブの一方又は双方である請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
前記２次電圧検出部は、前記１次コイルにより生じた電圧を検出し、前記１次コイルの電圧に、前記１次コイルと前記２次コイルとの巻き数比を乗算した値を、前記２次電圧として検出する請求項１から１２のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１４】
燃焼室内に配置されたプラグギャップを有する点火プラグと、直流電源からの電力が供給される１次コイル及び前記１次コイルよりも巻き数が多く、前記点火プラグに供給する高圧電圧を発生する２次コイルを有する点火コイルと、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記２次コイルに高圧電圧を発生させ、前記プラグギャップに火花放電を発生させるために、前記１次コイルと前記直流電源とを通電後遮断する点火コイル制御ステップと、
前記２次コイルにより生じた電圧である２次電圧を検出する２次電圧検出ステップと、
検出した前記２次電圧に基づいて、放電期間中の前記２次電圧の最小値を算出する２次電圧最小値算出ステップと、
前記２次電圧、及び前記２次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを算出する放電プラズマ長算出ステップと、
前記放電プラズマの長さの時間変化と前記放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力に基づいて前記燃焼室内の気体の速度である筒内流動速度を算出する筒内流動算出ステップと、を実行する内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火コイルを備えた内燃機関の制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から内燃機関の点火装置として、点火コイルにより昇圧した電圧を点火プラグに供給し、内燃機関の燃焼室内に配置された点火プラグのギャップ間で火花放電（ここでは絶縁破壊及びその後の放電プラズマの形成をいう）を発生させ、この火花放電が与えるエネルギーにより燃焼室内の混合気に火花点火させる点火システムが知られている。
【０００３】
近年では、内燃機関の燃費向上を目指したトレンドである過給ダウンサイジング化や高圧縮比化、更には高希釈燃焼のために点火システムに求められる要求が高機能化している。つまり、過給ダウンサイジング内燃機関や高圧縮比内燃機関においては、火花点火時の筒内圧が従来の内燃機関に比べると大幅に高くなる傾向があり、その結果、絶縁破壊電圧も高くなるため、点火コイルの出力エネルギーの増大が求められると共に、点火コイルや点火プラグの耐電圧の要求も高くなっている。また、高希釈燃焼とは、高ＥＧＲ燃焼や高リーンバーン燃焼のことであり、このような混合気は一般的に安定燃焼領域が狭く、これを安定して燃焼させるためには、点火コイルの出力エネルギーを増大することや放電期間を長くすること、更に筒内流動を強くすること等が有効であると知られている。
【０００４】
ところで、前述のように出力エネルギーを増大させた点火コイルを用い、強い筒内流動を生じさせることができる内燃機関において火花点火を行う際に、点火プラグのギャップ間に生じる放電プラズマが筒内流動により流されて長く伸ばされるという現象が起こることが知られている。更に、このように放電プラズマが流されて伸長した方が、放電プラズマ周辺の混合気が活性化され、また放電プラズマが点火プラグから離れることで電極による冷却の影響も少なくなることから、高希釈燃焼においても燃焼の安定化に有効であることが知られている。このような現象については、例えば、特許文献１から３に記載されている。
【０００５】
特許文献１では、点火電流値に基づいて放電火花の流れが観測されたときには放電を中断し、放電が流された場合と流されなかった場合の差を抑制することで、サイクル間の出力変動を抑制する技術が開示されている。特許文献２では、放電電圧に基づいて放電経路長を算出し、点火プラグに備えられた電磁石により、放電の長さを制御する技術が開示されている。特許文献３では、２次電圧の変化に伴う２次電流の傾きの変化に基づいて燃焼室における気流の速度である気流速を推定する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８８９４７号公報
【特許文献２】特許第４９７８７３７号公報
【特許文献３】特開２０１５−２００２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の出願人においても、独自に流動有無の環境において火花点火の可視化試験を行い、この時の点火コイルの２次電流や２次電圧を計測した。その結果、流動無し時、つまり、放電が流されない場合は、２次電圧がほぼ一定の状態で放電が行われ、２次電流は徐々に減少していくことがわかった。また、流動有り時、つまり放電が流された場合は、放電プラズマの伸長に伴って２次電圧が増大し、流動無し時に比べて２次電流の減少も早くなることがわかった。
【０００８】
本発明の出願人は更に検討を進め、２次電流や２次電圧と放電プラズマ長と筒内流動と燃焼安定性の関係について検討し、より正確に放電プラズマ長や筒内流動速度を算出することができれば、これに基づいて筒内流動や点火エネルギーを操作して燃焼安定性を高めることができると考えた。これは、筒内流動が強すぎると放電プラズマが吹き飛んでしまい、弱すぎると放電プラズマが伸長しないことから、放電プラズマが吹き飛ばない程度の筒内流動が最適であり、更に点火エネルギーを増大することで放電プラズマが吹き飛びにくくなると考えられるからである。
【０００９】
しかしながら、特許文献１から３に開示された方法は、単に２次電流や２次電圧と放電プラズマ長や筒内流動速度には何らかの相関関係がある程度のことしか言及されておらず、仮に、２次電圧と放電プラズマ長の関係を制御マップとして記憶するとしても、どの程度詳細なマップが必要かも不明であり、また、近似式のようなものも示されていないので、具体的にどのようにして放電プラズマ長を求めるのかが不明である。２次電流や２次電圧と筒内流動速度の関係についても同様である。更に、放電プラズマ長や筒内流動速度の代わりに２次電圧を直接使うことも考えられるが、２次電圧は筒内の環境（圧力・温度・空燃比等）に応じて大きく変わるため、２次電圧で制御するには定数設定や適合が複雑になると考えられる。
【００１０】
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、容易な方法で放電プラズマ長及び筒内流動速度を精度よく推定することができる内燃機関の制御装置及び制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の内燃機関の制御装置は、燃焼室内に配置されたプラグギャップを有する点火プラグと、直流電源からの電力が供給される１次コイル及び前記１次コイルよりも巻き数が多く、前記点火プラグに供給する高圧電圧を発生する２次コイルを有する点火コイルと、を備えた内燃機関の制御装置であって、
前記２次コイルに高圧電圧を発生させ、前記プラグギャップに火花放電を発生させるために、前記１次コイルと前記直流電源とを通電後遮断する点火コイル制御部と、
前記２次コイルにより生じた電圧である２次電圧を検出する２次電圧検出部と、
検出した前記２次電圧に基づいて、放電期間中の前記２次電圧の最小値を算出する２次電圧最小値算出部と、
前記２次電圧、及び前記２次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを算出する放電プラズマ長算出部と、
前記放電プラズマの長さの時間変化と前記放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力とに基づいて、前記燃焼室内の気体の流動速度である筒内流動速度を算出する筒内流動算出部と、を備えたものである。
【００１２】
また、この発明の内燃機関の制御方法は、燃焼室内に配置されたプラグギャップを有する点火プラグと、直流電源からの電力が供給される１次コイル及び前記１次コイルよりも巻き数が多く、前記点火プラグに供給する高圧電圧を発生する２次コイルを有する点火コイルと、を備えた内燃機関の制御方法であって、
前記２次コイルに高圧電圧を発生させ、前記プラグギャップに火花放電を発生させるために、前記１次コイルと前記直流電源とを通電後遮断する点火コイル制御ステップと、
検出した前記２次電圧に基づいて、前記２次コイルにより生じた電圧である２次電圧を検出する２次電圧検出ステップと、
放電期間中の前記２次電圧の最小値を算出する２次電圧最小値算出ステップと、
前記２次電圧、及び前記２次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを算出する放電プラズマ長算出ステップと、
前記放電プラズマの長さの時間変化と前記放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力に基づいて前記燃焼室内の気体の速度である筒内流動速度を算出する筒内流動算出ステップと、を実行するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る内燃機関の制御装置及び制御方法によれば、放電期間中の２次電圧の最小値を算出することにより、放電時期の筒内圧等に応じて点火毎に変動する放電開始直後の２次電圧を検出することができる。そして、２次電圧に加えて、放電期間中の２次電圧の最小値に基づいて、放電プラズマの長さを、容易な方法で精度よく推定できる。放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力により、放電プラズマは周囲の筒内流動とは異なる挙動を示し、単純に「放電プラズマ長の変化速度＝筒内流動速度」とはならない。放電プラズマの長さの時間変化に加えて、クーロン力に基づいて筒内流動速度を算出するため、放電プラズマの長さを用いた容易な方法で筒内流動速度を精度よく推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る内燃機関及び制御装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る点火コイル及び点火プラグの概略的な回路図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る制御装置のブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る制御装置のハードウェア構成図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る放電プラズマの伸長がない場合の２次コイル側の挙動を示すタイミングチャート図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る放電プラズマの伸長がある場合の２次コイル側の挙動を示すタイミングチャート図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る放電プラズマの伸長がない場合の放電プラズマを示すイメージ図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る放電プラズマの伸長がある場合の放電プラズマを示すイメージ図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る考え方（Ａ）の放電プラズマ伸長のイメージ図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る考え方（Ｂ）の放電プラズマ伸長のイメージ図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る考え方（Ｃ）の放電プラズマ伸長のイメージ図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係るＵ字型にモデル化した放電プラズマのイメージ図である。
【図１３】本発明の実施の形態１に係るマクスウェルの応力を説明するイメージ図である。
【図１４】本発明の実施の形態１に係る放電プラズマまわりの運動量の方程式を説明するイメージ図である。
【図１５】本発明の実施の形態１に係る放電プラズマ長の算出処理を示すフローチャート図である。
【図１６】本発明の実施の形態１に係る記憶装置に記憶される２次電圧等を説明するための図である。
【図１７】本発明の実施の形態１に係る放電プラズマの吹き飛びが生じる場合の２次コイル側の挙動を示すタイミングチャート図である。
【図１８】この発明の実施の形態１に係る放電プラズマ長に基づいて筒内流動を操作する処理を示すフローチャート図である。
【図１９】本発明の実施の形態１に係る放電プラズマ長及び吹き飛び回数に応じた流動相関値の算出を説明するための図である。
【図２０】本発明の実施の形態１に係る筒内流動速度及び吹き飛び回数に応じた流動相関値の算出を説明するための図である。
【図２１】本発明のその他の実施の形態に係る点火コイル及び点火プラグの概略的な回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
実施の形態１に係る内燃機関１の制御装置５０（以下、単に制御装置５０と称す）について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る内燃機関１及び制御装置５０の概略構成図であり、図２は、点火プラグ１２、点火コイル１３、及び制御装置５０の概略的な回路構成図であり、図３は、本実施の形態に係る制御装置５０のブロック図である。内燃機関１及び制御装置５０は、車両に搭載され、内燃機関１は、車両（車輪）の駆動力源となる。
【００１６】
１．内燃機関１の構成
まず、内燃機関１の構成について説明する。内燃機関１は、空気と燃料の混合気を燃焼する燃焼室２５を有している。燃焼室２５は、シリンダ（気筒）とピストンにより構成されている。以下では、燃焼室内を筒内とも称す。内燃機関１は、燃焼室２５に空気を供給する吸気路２３と、燃焼室２５で燃焼した排気ガスを排出する排気路１４とを備えている。
【００１７】
吸気路２３の上流側には、大気から吸気路２３に吸入される吸入空気の流量に応じた電気信号を出力するエアフローセンサ２が設けられている。エアフローセンサ２の下流側の吸気路２３には、吸気路２３を開閉する電子制御式のスロットルバルブ４が設けられている。スロットルバルブ４には、スロットルバルブ４の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ３が設けられている。スロットルバルブ４の下流側の吸気路２３の部分は、吸気マニホールド１９とされている。吸気マニホールド１９の上流側の部分は、吸気脈動を抑制するサージタンク５とされ、吸気マニホールド１９の下流側の部分は吸気ポート６とされている。
【００１８】
内燃機関１は、排気路１４から吸気マニホールド１９に排気ガスを還流するＥＧＲ流路２１と、ＥＧＲ流路２１を開閉する電子制御式のＥＧＲバルブ１５と、を備えている。吸気マニホールド１９には、吸気マニホールド１９内の気体の圧力であるマニホールド圧に応じた電気信号を出力するマニホールド圧センサ７と、吸気マニホールド１９内の気体の温度であるマニホールド温度に応じた電気信号を出力するマニホールド温度センサ８と、が設けられている。
【００１９】
燃焼室２５には、燃焼室２５内に燃料を噴射するインジェクタ９が設けられている。なお、インジェクタ９は、吸気ポート６内に燃料を噴射するように、吸気ポート６に設けられてもよい。
【００２０】
燃焼室２５の頂部には、空気と燃料の混合気に点火する点火プラグ１２が設けられている。点火プラグ１２に点火エネルギーを供給する点火コイル１３が設けられている。また、燃焼室２５の頂部には、吸気路２３から燃焼室２５内に吸入される吸入空気量を調節する吸気バルブ１０と、燃焼室２５内から排気路１４に排出される排気ガス量を調節する排気バルブ１１と、が設けられている。吸気バルブ１０には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする吸気可変バルブタイミング機構が設けられている。排気バルブ１１には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする排気可変バルブタイミング機構が設けられている。吸気及び排気可変バルブタイミング機構１０、１１は、それぞれ、バルブの開閉タイミングの位相角を変更する電動アクチュエータを有している。内燃機関１のクランク軸には複数の歯を有する回転プレート１６が設けられており、回転プレート１６の回転に応じた電気信号を出力するクランク角センサ１７が設けられている。
【００２１】
＜点火プラグ１２及び点火コイル１３＞
図２に、点火プラグ１２及び点火コイル１３の回路構成図を示す。点火プラグ１２は、燃焼室２５内に配置され、放電プラズマを発生させるプラグギャップ１２２を備えている。点火プラグ１２は、ラジオノイズを抑制するために、プラグギャップ１２２に直列接続された抵抗１２１を備えている。
【００２２】
点火コイル１３は、直流電源２０からの電力が供給される１次コイル１３１と、１次コイル１３１よりも巻き数が多く、点火プラグ１２に供給する高圧電圧を発生させる２次コイル１３２とを備えている。１次コイル１３１と２次コイル１３２とは、共通の鉄心（コア）１３６に巻装されている。１次コイル１３１、２次コイル１３２、及びコア１３６は、昇圧トランスを構成している。点火コイル１３は、直流電源２０から１次コイル１３１への通電をオン又はオフするイグナイタ１３３としてのスイッチング素子を備えている。点火コイル１３は、２次コイル１３２により生じる電圧である２次電圧Ｖ２に応じた電気信号を出力する点火コイル電圧センサ１３４を備えている。点火コイル電圧センサ１３４は、２次電圧Ｖ２を、直列接続された２つの抵抗で分圧する分圧回路とされており、点火プラグ１２に並列接続されている。２つの抵抗の接続点の分圧電圧が、制御装置５０に入力される。
【００２３】
本実施の形態では、１次コイル１３１の一端は、直流電源２０の正極に接続され、１次コイル１３１の他端は、イグナイタ１３３を介して、グランド（直流電源２０の負極）に接続されている。イグナイタ１３３が制御装置５０によりオンオフ制御されることにより、直流電源２０から１次コイル１３１への通電がオン又はオフされる。２次コイル１３２の一端は、直流電源２０の正極に接続され、２次コイル１３２の他端は、点火プラグ１２を介してグランドに接続されている。また、２次コイル１３２の他端は、分圧回路とされた点火コイル電圧センサ１３４を介してグランドに接続されている。制御装置５０は、イグナイタ１３３をオン又はオフするイグナイタ駆動回路５０１としてのスイッチング素子を備えており、イグナイタ駆動回路５０１は演算処理装置９０からの指令信号により動作する。
【００２４】
２．制御装置５０の構成
次に、制御装置５０について説明する。
制御装置５０は、内燃機関１を制御対象とする制御装置である。図３に示すように、制御装置５０は、点火コイル制御部５１、２次電圧検出部５２、２次電圧最小値算出部５３、放電プラズマ長算出部５４、流動相関値算出部５５、流動制御部５６、及び点火エネルギー増大部５７、筒内流動算出部５８等の制御部を備えている。制御装置５０の各制御部５１〜５８等は、制御装置５０が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置５０は、図４に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りをする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入力する入力回路９２、及び演算処理装置９０から外部に信号を出力する出力回路９３等を備えている。
【００２５】
演算処理装置９０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置９０として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）や、演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。入力回路９２は、各種のセンサやスイッチが接続され、これらセンサやスイッチの出力信号を演算処理装置９０に入力するＡ／Ｄ変換器等を備えている。出力回路９３は、電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置９０からの制御信号を出力する駆動回路等を備えている。
【００２６】
そして、制御装置５０が備える各制御部５１〜５８等の各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入力回路９２、及び出力回路９３等の制御装置５０の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部５１〜５８等が用いるマップデータ、判定値等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。
【００２７】
本実施の形態では、入力回路９２には、エアフローセンサ２、スロットル開度センサ３、マニホールド圧センサ７、マニホールド温度センサ８、クランク角センサ１７、大気圧センサ１８、点火コイル電圧センサ１３４、アクセルポジションセンサ２６等が接続されている。出力回路９３には、スロットルバルブ４、インジェクタ９、吸気可変バルブタイミング機構１０、排気可変バルブタイミング機構１１、点火コイル１３、及びＥＧＲバルブ１５等が接続されている。なお、制御装置５０には、図示していない各種のセンサ、スイッチ、及びアクチュエータ等が接続されている。
【００２８】
制御装置５０は、各種のセンサの出力信号等に基づいて内燃機関１及び車両の各種の運転状態を検出する。例えば、制御装置５０は、クランク角センサ１７等の出力信号に基づいて内燃機関の回転速度及びクランク角度を検出する。制御装置５０は、エアフローセンサ２、マニホールド圧センサ７等の出力信号に基づいて内燃機関の吸入空気量、充填効率、ＥＧＲ率等を算出する。
【００２９】
制御装置５０は、基本的な制御として、検出した運転状態に基づいて、燃料噴射量、点火時期等を算出し、インジェクタ９及び点火コイル１３等を駆動制御する。制御装置５０は、アクセルポジションセンサ２６の出力信号等に基づいて、運転者が要求している内燃機関１の出力トルクを算出し、当該要求出力トルクを実現する目標充填効率、目標ＥＧＲ率等を算出し、目標充填効率及び目標ＥＧＲ率等を達成するように、スロットルバルブ４の開度、ＥＧＲバルブ１５の開度、吸気及び排気可変バルブタイミング機構１０、１１の位相角を制御する。
【００３０】
２−１．点火コイル制御部５１
点火コイル制御部５１は、２次コイル１３２に高圧電圧を発生させ、プラグギャップ１２２に火花放電を発生させるために、１次コイル１３１と直流電源２０とを通電後遮断する点火コイル制御処理（点火コイル制御ステップ）を実行する。点火コイル制御部５１は、１次コイル１３１への通電時間と点火時期（点火クランク角度）を算出する。点火コイル制御部５１は、点火時期よりも通電時間前の時点を通電開始時期として算出する。そして、点火コイル制御部５１は、通電開始時期で、イグナイタ駆動回路５０１を介してイグナイタ１３３をオンし、１次コイル１３１を通電させる。点火コイル制御部５１は、点火時期で、イグナイタ駆動回路５０１を介してイグナイタ１３３をオフし、１次コイル１３１への通電を遮断する。
【００３１】
点火コイル制御部５１は、回転速度及び充填効率等の運転状態と、通電時間との関係が予め設定された通電時間マップを参照し、現在の回転速度及び充填効率等の運転状態に対応する通電時間を算出するように構成されてもよい。或いは、点火コイル制御部５１は、回転速度及び充填効率等の運転状態と、点火エネルギーとの関係が予め設定された点火エネルギーマップを参照し、現在の回転速度及び充填効率等の運転状態に対応する点火エネルギーを算出し、点火エネルギーと通電時間の関係式を用いて、通電時間を算出するように構成されてもよい。
【００３２】
また、点火コイル制御部５１は、回転速度及び充填効率等の運転状態と、点火時期との関係が予め設定された点火時期マップを参照し、現在の回転速度及び充填効率等の運転状態に対応する点火時期を算出するように構成されてもよい。或いは、点火コイル制御部５１は、圧力センサにより検出した、又はクランク角度検出情報により推定した筒内圧に基づいて算出した燃焼重心位置が目標クランク角度に近づくように点火時期を変更するフィードバック制御により点火時期を算出するように構成されてもよい。
【００３３】
＜点火時の挙動＞
点火時の挙動について説明する。１次コイル１３１への通電開始後、１次コイル１３１に流れる１次電流Ｉ１が次第に増加していく。１次電流Ｉ１の大きさに応じた磁気エネルギーが、コア１３６に蓄えられる。その後、１次コイル１３１への通電が遮断されると、１次電流Ｉ１はゼロになり、コア１３６に蓄えられていた磁気エネルギーにより、２次コイル１３２の電圧が上昇し、プラグギャップ１２２間の電圧を上昇させる。プラグギャップ１２２間の電圧が、プラグギャップ１２２間の絶縁破壊電圧を上回るとプラグギャップ１２２間において火花放電が起こる。ここで、火花放電とは、絶縁破壊及びその後にプラグギャップ１２２間に生じるグロー放電又はアーク放電による放電現象全般を意味するものとする。グロー放電又はアーク放電における放電経路として生じるプラズマを放電プラズマと呼ぶこととする。火花放電により生じた放電プラズマを介してプラグギャップ１２２は導通し、２次コイル１３２から２次電流Ｉ２が流れ、プラグギャップ１２２において放出されるエネルギーにより、燃焼室２５内の混合気が点火される。
【００３４】
２−２．放電プラズマ長Ｌの算出原理
＜筒内流動と放電プラズマの挙動＞
このように動作する２次コイル１３２側の挙動と、プラグギャップ１２２に生じる放電プラズマの挙動について、図５から図８を用いて説明する。図５及び図６は、２次コイル１３２側の挙動を示すタイミングチャート図であり、図７及び図８は、プラグギャップ１２２に生じる放電プラズマを示すイメージ図である。なお、各図において、２次電圧Ｖ２及び２次電流Ｉ２は、負側に発生しているが、絶対値が大きくなる方向を増加又は上昇、絶対値が小さくなる方向を減少又は低下として説明している。
【００３５】
図５は筒内流動がなく、放電プラズマの伸長がない場合の２次コイル１３２側の挙動であり、図７に示すように、放電プラズマはプラグギャップ１２２で生じたまま僅かに揺れ動くだけで、基本的な放電プラズマの長さはプラグギャップ１２２間の距離とほぼ同じである。図５の時刻ｔ０において、１次コイル１３１への通電が遮断されている。通電遮断により、２次電圧Ｖ２は、絶縁破壊電圧Ｖｂｋまで上昇し、絶縁破壊が生じている。２次電圧Ｖ２は、絶縁破壊後に降下し、時刻ｔ０以降は、ほぼ一定の放電維持電圧になっている。２次電流Ｉ２は、時刻ｔ０において、絶縁破壊後、０からステップ的に増加し、その後、ほぼ一定の傾きで減少していき、時刻ｔ２でゼロになっている。これは、コア１３６に蓄えられた磁気エネルギーが２次電流Ｉ２の放出により徐々に低下することにより、２次電流Ｉ２も徐々に低下するためである。
【００３６】
次に、図６は筒内流動があり、放電プラズマが伸長する場合の２次コイル１３２側の挙動であり、図８に示すように、放電プラズマはプラグギャップ１２２で生じた後、筒内流動により徐々に伸長していく。図６の時刻ｔ０において、１次コイル１３１への通電が遮断され、この通電遮断により、２次電圧Ｖ２は、絶縁破壊電圧Ｖｂｋまで上昇し、絶縁破壊が生じている。２次電圧Ｖ２は、絶縁破壊後に一旦流動なし時と同程度の電圧まで低下しているが、その後、放電プラズマの伸長に伴って増加する。２次電流Ｉ２は、流動なし時よりも早く減少し、流動なし時の時刻ｔ２より早い時刻ｔ２＊で０になっている。これは、２次電圧Ｖ２の上昇により、コア１３６に蓄えられた磁気エネルギーの単位時間当たりの放出量が増加し、磁気エネルギーの減少が早くなるためである。エネルギーの放出速度［Ｊ／ｓ］は、消費電力Ｗ＝Ｖ２×Ｉ２であるので、２次電流Ｉ２が同じでも２次電圧Ｖ２が大きいと、磁気エネルギーの放出が速くなる。
【００３７】
＜放電プラズマ長の算出原理＞
以上で説明した点火コイル１３の動作及びプラグギャップ１２２で生じる放電現象に基づいて、放電プラズマ長を算出する方法の考え方について説明する。放電中のプラグギャップ１２２間の抵抗（ギャップ抵抗と称す）をＲｇとすると、２次電圧Ｖ２、２次電流Ｉ２、及びギャップ抵抗Ｒｇの間には、次式の関係が成立する。
【数１】
2019007436.tif 000003
【００３８】
放電電流の流れに沿った放電プラズマの長さ（放電プラズマ長と称す）をＬとし、放電電流の流れに直交する平面で切断した放電プラズマの断面積をＳとし、放電プラズマを電気伝導率σの導体と考えると、ギャップ抵抗Ｒｇは、次式で表せる。
【数２】
2019007436.tif 000004
【００３９】
（２）式を（１）式に代入し変形すると、次式の関係があることがわかる。
【数３】
2019007436.tif 000005
【００４０】
＜流動なし時＞
ここで、流動なし（放電プラズマの伸長なし）の時について考える。図５及び図７を用いて説明したように、流動がない状態であれば、放電プラズマ長Ｌはほぼ一定であり、この場合には、２次電圧Ｖ２もほぼ一定になる。よって、（３）式から、次式の関係が成り立つ。
【数４】
2019007436.tif 000006
【００４１】
ここで、「Const.」は、一定値であることを表す。「σ・Ｓ」は、放電プラズマの単位長さあたりコンダクタンス、つまり、単位長さあたりの電流の流れやすさであり、（４）式は、２次電流Ｉ２が小さくなれば、電流が流れにくくなることを示している。なお、その逆数１／（σ・Ｓ）は、単位長さたりの抵抗を意味する。
【００４２】
ところで、プラズマとは気体を構成する分子が電離し陽イオンと電子に別れて運動している状態であり、この電離した気体は荷電粒子を含むため導電性を示す。また、気体が電離している割合を電離度ηといい、電離度ηに応じて導電性は変化すると考えられるので、電離度ηと電気伝導率σは相関すると考えられる。更に、プラズマの電離度ηと発光強度は相関すると考えられているので、放電の明るさと電気伝導率σについても相関するものと考えられる。流動なし（放電の伸びなし）時の放電プラズマを観測すると、放電開始直後は明るく太かった放電プラズマが、２次電流Ｉ２が減少するにつれて徐々に暗く細くなり、放電終了とともに消滅することがわかった。このことから、前述のように、２次電流Ｉ２が小さくなると、電気伝導率σと断面積Ｓの積であるσ・Ｓも小さくなることが観測されているものと想定される。
【００４３】
＜流動ありの場合（考え方（Ａ））＞
次に、流動ありの場合を考える。ここでは考え方（Ａ）として、流動なし時に考えた（４）式を流動あり時にも適用して考える。図９に、放電開始直後の放電プラズマと放電プラズマ伸長中の放電プラズマのイメージを示す。ここで、放電開始直後のＩ２、σ、Ｓ、Ｌには、それぞれ、最後に０を付けてＩ２０、σ０、Ｓ０、Ｌ０で表し、放電プラズマ伸長中（放電中）のＩ２、σ、Ｓ、Ｌには、それぞれ、最後に１を付けてＩ２１、σ１、Ｓ１、Ｌ１で表す。（４）式から、放電プラズマ長Ｌに関わらず、Ｉ２／（σ・Ｓ）は一定であるので、次式に示すように、放電開始直後のＩ２０／（σ０・Ｓ０）と、放電プラズマ伸長中のＩ２１／（σ１・Ｓ１）とは等しくなる。
【数５】
2019007436.tif 000007
【００４４】
（３）式より、放電開始直後の２次電圧Ｖ２０と、放電プラズマ伸長中の２次電圧Ｖ２１とは、それぞれ、（６）式、（７）式で表せる。
【数６】
2019007436.tif 000008
【数７】
2019007436.tif 000009
【００４５】
（５）式に、（６）式、（７）式を代入して整理すると、次式が導出される。
【数８】
2019007436.tif 000010
【００４６】
この考え方が正しければ、（８）式により放電プラズマ伸長中の放電プラズマ長Ｌ１を求めることができる。ここで、放電開始直後の放電プラズマ長Ｌ０は、プラグギャップ１２２間の長さＬｇに等しいと仮定することができる。放電開始直後の２次電圧Ｖ２０は、図６を用いて説明した２次電圧Ｖ２の挙動から、放電開始直後の所定期間の２次電圧Ｖ２の最低値を用いることができる。ここで、２次電圧Ｖ２の最低値を計測するのは、２次電圧Ｖ２の変化に、多少の遅れがあるためである。
【００４７】
＜流動ありの場合（考え方（Ｂ））＞
考え方（Ａ）では、放電プラズマ長Ｌの変化に関わらず、（５）式のようにＩ２／σ・Ｓは一定であると考えたが、放電プラズマ長Ｌが時々刻々と変化する場合には、Ｉ２／σ・Ｓが常に一定であるとは考えにくい。プラグギャップ１２２間の流動により放電プラズマが流されて伸長するのは短い時間に起こるため、電離した気体の量は同じで、それらの位置だけが変わることで放電プラズマが伸長すると考えることもできる。図１０に、放電プラズマ伸長中の微小時間前後の放電プラズマのイメージを示す。ここで、放電プラズマ伸長中の時刻ｔ１のＩ２、σ、Ｓ、Ｌは、それぞれ、Ｉ２１、σ１、Ｓ１、Ｌ１で表し、放電プラズマ伸長中の時刻ｔ１より微小時間前のＩ２、σ、Ｓ、Ｌは、それぞれ、Ｉ２１＊、σ１＊、Ｓ１＊、Ｌ１＊で表す。
【００４８】
放電プラズマ伸長中の微小時間の前後で、放電プラズマの体積が一定であるとして、次式が成立していると考える。
【数９】
2019007436.tif 000011
【００４９】
更に、放電プラズマ伸長中に、σ１・Ｓ１が減少する変化と、２次電流Ｉ２１が減少する変化とが一致しないため、（５）式のような関係は成立しないと考えられる。２次電流Ｉ２１が減少する変化は、コア１３６の磁気エネルギーの減少によるものなので、断面積Ｓ１が減少する変化より遅いと考えられる。そのため、ここでは、２次電流Ｉ２１を、微小時間前後の断面積Ｓ１＊、Ｓ１で補正した次式が成立すると仮定する。
【数１０】
2019007436.tif 000012
【００５０】
（１０）式は微小時間前後で成り立つと仮定したが、微少時間前を、放電開始直後の時刻ｔ０に置き換えると、（１０）式中の「１＊」を「０」に置き換えた次式となる。
【数１１】
2019007436.tif 000013
【００５１】
この場合、（６）式、（７）式、（１１）式より、放電プラズマ長Ｌと２次電圧Ｖ２の関係は次式となる。
【数１２】
2019007436.tif 000014
【００５２】
＜流動ありの場合（考え方（Ｃ））＞
流動あり（放電プラズマの伸長あり）時の放電プラズマを可視化観測すると、放電プラズマが伸びても考え方（Ｂ）のように伸びれば伸びるほど細くなることもなく、どちらかというと考え方（Ａ）のように、放電プラズマの太さはあまり変わらずに伸びているようであった。しかしながら、電離した気体の量に変化がないと考えると考え方（Ｂ）の方が正しいとも思える。そこで、考え方（Ｂ）のように放電プラズマは伸長するが、新たに気体が電離することで２次電流Ｉ２に応じた放電プラズマの断面積に戻ろうとするため、考え方（Ａ）のように太さは同じまま放電プラズマは伸長しているように見えると考えることもできる。こう考えた場合の放電プラズマ伸長中の微小時間前後のイメージを図１１に示す。この場合、新たに電離する気体がある分、考え方（Ａ）より電流は流れやすくなっていると考えられる。以上を考え方（Ｃ）とする。
【００５３】
ここで、考え方（Ａ）（Ｂ）で求めた２次電圧と放電プラズマ長の関係式である（８）式、（１２）式を一般化して書くと、次式となる。
【数１３】
2019007436.tif 000015
【００５４】
ｎ＝１の時は考え方（Ａ）の（８）式を表し、この場合は、放電プラズマが伸長しない場合と同じだけ電流が流れ、単位長さあたりの抵抗は変わらないという考え方である。ｎ＝１／２の時は考え方（Ｂ）の（１２）式を表し、この場合は、放電プラズマが細くなるため抵抗が大きくなり、電流が流れにくくなるという考え方である。
【００５５】
考え方（Ｃ）は、放電プラズマが伸長した場合に新たに電離する気体があるために考え方（Ａ）より更に電流が流れやすくなるという考え方であるので、考え方（Ａ）より電流が流れるのであれば、ｎ＞１の関係になることが予想される。このように考えた場合のべき指数ｎが具体的にどれくらいの値になるかは観測データに基づいて算出する。べき指数ｎの算出は、放電開始直後の２次電圧Ｖ２０として絶縁破壊直後所定時間内の２次電圧の最小値を用い、放電開始直後の放電プラズマ長Ｌ０としてプラグギャップ長Ｌｇを用い、放電プラズマ伸長中の放電プラズマ長Ｌ１と２次電圧Ｖ２１として、放電プラズマ伸長中のある時刻における放電プラズマ長Ｌと２次電圧Ｖ２を用い、次式により算出できる。
【数１４】
2019007436.tif 000016
【００５６】
本発明の出願人が行った試験結果からべき指数ｎの値を算出すると、概ね１．０から３．０の範囲内の値となった。このべき指数ｎの値は、内燃機関１の運転状態、特に点火時点における筒内圧や筒内温度に依存するものと考えられるので、筒内圧に応じてべき指数ｎの値を変化させるようにしてもよいし、最も簡単な近似としては、制御装置５０の演算負荷を考えて、ｎ＝２と単純化してもよい。
【００５７】
以上をまとめると、放電中のある時刻における放電プラズマ長Ｌ１は、その時刻における２次電圧をＶ２１とし、放電開始直後の２次電圧Ｖ２０として絶縁破壊直後所定時間内の２次電圧の最小値を用い、放電開始直後の放電プラズマ長Ｌ０としてプラグギャップ長Ｌｇを用いて、（１３）式により算出することができ、その際のべき指数ｎの値としては、１．０から３．０の範囲内の値を用いればよい。なお、流動がなく、放電プラズマが伸長しない場合においては、２次電圧Ｖ２は一定であり、放電プラズマ長Ｌも一定であるので、べき指数ｎの値に関わらず（１３）式は成立する。
【００５８】
２−３．筒内流動速度ｖａの算出原理
＜筒内流動と放電プラズマの挙動＞
次に、筒内流動速度ｖａの算出原理について説明する。放電プラズマ長Ｌの時間変化を考えることで、点火プラグ近傍の気体の流動速度を算出できると考えられる。しかし、プラズマは、気体を構成する分子が電離し、陽イオンと電子に別れて運動している状態であるので、プラズマ中ではこの電荷の周りに逆符号の電荷を持つ荷電粒子がクーロン力を受けて集合する。そのため、流動場にあるプラズマは周囲の気体とは異なる挙動を示す。その結果、単純に「放電プラズマ長の変化速度＝筒内流動速度」とはならないため、放電プラズマ長の変化速度と筒内流動速度の関係を導く必要がある。
【００５９】
そこで、放電プラズマ内に働くクーロン力の集合として、電力管に作用するマクスウェルの応力を当てはめ、筒内流動速度と放電プラズマの中間部の移動速度とマクスウェルの応力との関係をモデル化し、筒内流動速度ｖａを推定する関係式を導出する。以下で、詳細に説明する。
【００６０】
図１２に、伸長した放電プラズマが、Ｕ字型になると簡略的にモデル化したイメージ図を示す。プラグギャップ１２２における筒内流動方向は、プラグギャップ１２２の長さ方向に垂直な方向であるものと仮定する。Ｕ字型の放電プラズマは、プラグギャップ１２２の中心電極１２２ａから筒内流動方向に延びる第１側部３０と、プラグギャップ１２２の接地電極１２２ｂから筒内流動方向に延びる第２側部３１と、第１側部３０の筒内流動方向の先端部と第２側部３１の筒内流動方向の先端部とをつなぐ、底部３２とから構成されていると仮定する。第１側部３０及び第２側部３１の長さは、筒内流動により０から伸長していくものと仮定する。底部３２は、プラグギャップ長Ｌｇの長さを有すると仮定し、放電プラズマの中間部３２に相当する。
【００６１】
放電プラズマの中間部３２が筒内流動方向に移動する移動速度をｖｐとし、放電開始後の経過時間をｔとすると、放電プラズマ長Ｌは、次式で表せる。第１及び第２側部３０、３１の伸長速度は、放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐに等しくなる。Ｕ字の第１側部３０及び第２側部３１の２個所が、移動速度ｖｐで伸長するので、放電プラズマ長Ｌの伸長は、ｖｐ・ｔの２倍になる。
【数１５】
2019007436.tif 000017
【００６２】
ところで、放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐは、時間とともに変化すると考えられる。つまり、放電開始直後は、移動速度ｖｐ≒０であると考えられる。筒内流動により放電プラズマに作用する力が、放電プラズマ内に働くクーロン力よりも、十分大きい場合は、時間がたつと、移動速度ｖｐ≒筒内流動速度ｖａになると考えられる。そこで、放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐが、各時点で変化するものとして、放電プラズマ長Ｌの算出式を、離間化した次式で表す。ここで、Δｔは、離散化した時間間隔である。ｍは、離散化した時系列データの番号であり、放電開始直後の０から、時間間隔Δｔが経過する毎に、１ずつ増加していく。（１６）式でも、Ｕ字の第１側部３０及び第２側部３１の２個所が、移動速度ｖｐで伸長するので、時間間隔Δｔの間の、放電プラズマ長Ｌの伸長幅は、２・ｖｐ・Δｔの２倍になる。
【数１６】
2019007436.tif 000018
【００６３】
（１６）式により、時々刻々と変化する放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐ（ｍ）と、放電プラズマ長Ｌ（ｍ）の関係を定式化できる。（１６）式を、ｖｐ（ｍ）について解くと、（１７）式を得る。（１７）式から、放電プラズマ長Ｌ（ｍ）の時間変化によって、放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐ（ｍ）を算出できる。
【数１７】
2019007436.tif 000019
【００６４】
次に、放電プラズマ内に働くクーロン力について考える。放電プラズマでは、放電によるエネルギー供給によりプラズマ状態が維持されており、更に、放電のための電流が流れているので、外部から電場を与えられている状態でもある上に、電子が動くことにより内部でも電場が生じている状態であると考えられる。このように考えると、放電プラズマは、空間内に浮かぶ電場をかけられた電力管と考えることができ、この電力管にはクーロン力の集合としてマクスウェルの応力がかかることが知られている。マクスウェルの応力Ｆは、マクスウェルの応力テンソルＴを用いて次式で表される。
【数１８】
2019007436.tif 000020
【００６５】
ここで、ε０は真空の誘電率であり、Ｅは電場であり、ｎは微小面積ｄＳ上の単位法線ベクトルであり、添え字のｘ、ｙ、ｚはデカルト座標系の各成分を意味する。なお、ここでは電場によるマクスウェルの応力のみを考えているが、磁場によるマクスウェルの応力についても考慮するようにしてもよい。
【００６６】
図１３に示す電力管にかかるマクスウェルの応力を説明するイメージ図を参考に、電場の方向にかかる力Ｆ１と、電場に対して垂直方向にかかる力Ｆ２とを説明する。電場の方向にかかる力Ｆ１は、微小面積ｄＳ１の垂直方向を示すベクトルｎ１が電場と同じ向きを向いていると考えて、（１８）式に基づいて次式で表されることが知られている。
【数１９】
2019007436.tif 000021
【００６７】
同様に、電場に対して垂直方向にかかる力Ｆ２は、微小面積ｄＳ２の垂直方向を示すベクトルｎ２が電場に垂直な向きを向いていると考えて、次式で表されることが知られている。
【数２０】
2019007436.tif 000022
【００６８】
このように、電場の方向には引き合う力が働いており、電場の垂直方向にはお互いに斥け合う方向の力が働いていることが分かる。つまり、電力管には、ゴムのような弾性体が存在しているような力がかかっていると言える。なお、（１９）式、（２０）式より、力の方向は異なるものの、単位面積当たりの力の大きさはＦ１、Ｆ２共に同じである。
【００６９】
以上を踏まえて放電プラズマにかかるマクスウェルの応力の大きさｐｍを算出する。ここでは簡単のため外部電場のみを考えるものとするが、内部電場を考慮して補正するようにしてもよい。電場の大きさＥ（ｍ）は、次式に示すように、プラグギャップ１２２に印加される２次電圧Ｖ２を、放電プラズマ長Ｌで除算した値になる。
【数２１】
2019007436.tif 000023
【００７０】
マクスウェルの応力の大きさｐｍ（ｍ）は、次式で表される。電力管には、電力管に沿った方向に、電力管が縮もうとするｐｍ（ｍ）の張力が働き、電力管に垂直な方向に、電力管の側面を押圧する−ｐｍ（ｍ）の圧力が加わり、電力管は、電気的なひずみを受けた弾性体のように振る舞う。
【数２２】
2019007436.tif 000024
【００７１】
次に、図１４に、放電プラズマまわりの運動量の方程式を説明するイメージ図を示す。周辺気体と放電プラズマの中間部３２との間の運動量の保存を考える。放電プラズマの半径をｒとし、周辺気体の圧力をｐとし、周辺気体の密度をρとすると、放電プラズマの中間部３２よりも流動方向上流側の周辺気体と放電プラズマの中間部３２との境界の領域では、次式が成り立つ。
【数２３】
2019007436.tif 000025
【００７２】
ここで、Ａ１は、流動方向に見た放電プラズマの中間部３２の投影面積であり、Ａ２は、放電プラズマの中間部３２の断面積である。（２３）式の左辺は運動量を、右辺は系に作用する力を考えている。左辺において、ρ・Ａ１・ｖｐ２は、境界における放電プラズマの運動量を表しており、ρ・Ａ１・ｖａ２は、境界における周辺気体の運動量を表している。右辺において、第１項のｐ・Ａ１は、境界において上流側の周辺気体から放電プラズマに作用する気体の圧力を表しており、第２項のｐ・Ａ１は、境界において放電プラズマから上流側の周辺気体に作用する気体の圧力を表しており、第３項の−ｐｍ・Ａ１は、境界において放電プラズマに作用するマクスウェルの応力（圧力）を表している。右辺の第４項の２・ｐｍ・Ａ２は、放電プラズマの中間部３２の両端部に作用するマクスウェルの応力（張力）を表しており、両端部に作用するため、２倍されている。
【００７３】
（２３）式をｖａについて解くと次式を得る。放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐの算出には（１７）式を用い、マクスウェルの応力ｐｍの算出には（２２）式を用いることで、筒内流動速度ｖａを求めることができる。気体密度ρは、燃焼室２５内に吸入された吸入空気量を、クランク角度に応じて定まる燃焼室２５の容積で除算することで算出される。ここで、換算係数Ｋは、プラグギャップ長Ｌｇ及び放電プラズマの半径ｒにより定まる係数である。
【数２４】
2019007436.tif 000026
【００７４】
（２４）式の近似式は、次式となる。この近似式からわかるように、筒内流動速度ｖａは、放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐに、マクスウェルの応力ｐｍに応じた値を加算することで算出できる。
【数２５】
2019007436.tif 000027
【００７５】
２−４．放電プラズマ長算出部５４、筒内流動算出部５８等の各制御部の構成
以上により説明した放電プラズマ長の算出方法、及び筒内流動速度の算出方法の考え方に基づいて構成された各制御部の処理について、図１５のフローチャートを用いて、具体的に説明する。
【００７６】
＜２次電圧検出部５２＞
ステップ１２０１で、２次電圧検出部５２は、２次コイル１３２により生じた電圧である２次電圧Ｖ２を検出する２次電圧検出処理（２次電圧検出ステップ）を実行する。本実施の形態では、２次電圧検出部５２は、点火コイル電圧センサ１３４の出力信号に基づいて２次電圧Ｖ２を検出するように構成されている。
【００７７】
具体的には、２次電圧検出部５２は、点火コイル電圧センサ１３４としての分圧回路の分圧電圧を、入力回路９２のＡ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換値及び分圧抵抗比に基づいて２次電圧Ｖ２を検出する。２次電圧検出部５２は、少なくとも、点火コイル制御部５１が１次コイル１３１への通電を遮断した遮断時点（図５及び図６の時刻ｔ０）から、放電が終了する時点（図５の時刻ｔ２及び図６の時刻ｔ２＊）までの間、連続的にＡ／Ｄ変換を行って、２次電圧Ｖ２を検出する。
【００７８】
例えば、２次電圧検出部５２は、１次コイル１３１への通電遮断時点の１００μｓ前に、Ａ／Ｄ変換を開始し、５０μｓ毎に連続的にＡ／Ｄ変換を行う。通常の放電期間ｔ０〜ｔ２は１ｍｓ〜３ｍｓ程度であるので、少し長めにサンプリングするものとして、２次電圧検出部５２は、Ａ／Ｄ変換開始から４ｍｓ間に亘りＡ／Ｄ変換を行い、２次電圧Ｖ２を検出する。そして、２次電圧検出部５２は、図１７に示すように、各２次電圧Ｖ２の検出値をサンプリング番号ｍと対応させて、ＲＡＭ等の記憶装置９１に記憶する。サンプリング番号ｍは、Ａ／Ｄ変換を行う毎に０から１ずつ増加される。
【００７９】
＜２次電圧最小値算出部５３＞
続くステップ１２０２で、２次電圧最小値算出部５３は、２次電圧検出部５２により検出した２次電圧Ｖ２に基づいて、放電期間中の２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎを算出する２次電圧最小値算出処理（２次電圧最小値算出ステップ）を実行する。なお、本発明において、２次電圧Ｖ２は、２次電圧Ｖ２の絶対値を意味するものとする。
【００８０】
放電開始直後の２次電圧Ｖ２０は、（６）式等からわかるように、放電開始直後の放電プラズマ長Ｌ０に等しくなるプラグギャップ長Ｌｇと、放電開始直後の気体密度（筒内圧）に応じて変化する電気伝導率σ０とに応じて変化する。上記の構成によれば、放電期間中の２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎを算出することにより、点火毎に変動する放電開始直後の２次電圧Ｖ２０を精度よく検出することができる。
【００８１】
例えば、２次電圧最小値算出部５３は、次式に示すような、サンプリング番号ｍの２次電圧Ｖ２（ｍ）と、前回処理時の２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎとの最小値取りを行った値を、今回処理時の２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎとして更新する処理を、サンプリング番号ｍをＡ／Ｄ変換開始番号から終了番号まで変化させて繰り返し行い、放電期間中の２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎを算出する。ここで、ｍｉｎ（）は、最小値取りの処理を表す。なお、２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎから、放電期間外の０[Ｖ]付近の２次電圧Ｖ２は除かれる。
【数２６】
2019007436.tif 000028
【００８２】
なお、ステップ１２０２以降の処理は、連続的なＡ／Ｄ変換完了後の所定のクランク角度における割込処理により行われ、例えば、Ａ／Ｄ変換完了後に最初に来るＢＴＤＣ７５ｄｅｇＣＡの割込処理内にて行われる。
【００８３】
＜放電プラズマ長算出部５４＞
続くステップ１２０３では、放電プラズマ長算出部５４は、２次電圧Ｖ２、及び２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎに基づいて、放電プラズマの長さである放電プラズマ長Ｌを算出する放電プラズマ長算出処理（放電プラズマ長算出ステップ）を実行する。上述した放電プラズマ長算出の考え方からわかるように、２次電圧Ｖ２、及び２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎに基づいて、放電プラズマ長Ｌを算出することができる。
【００８４】
本実施の形態では、放電プラズマ長算出部５４は、（１３）式により、放電プラズマ長Ｌを算出する。放電プラズマ長算出部５４は、（１３）式により、放電期間中の各時刻の放電プラズマ長Ｌを算出する。ここでは、放電プラズマ長算出部５４は、（１３）式を本実施の形態に合わせて修正した次式を用いて、２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎ、及び各サンプリング番号ｍの２次電圧Ｖ２（ｍ）に基づいて、放電期間中の各時刻に対応する各サンプリング番号ｍの放電プラズマ長Ｌ（ｍ）を算出する。すなわち、放電プラズマ長算出部５４は、次式の演算を、サンプリング番号ｍをＡ／Ｄ変換開始番号から終了番号まで変化させて繰り返し行い、図１６に示すように、各放電プラズマ長Ｌ（ｍ）をサンプリング番号ｍと対応させて、ＲＡＭ等の記憶装置９１に記憶する。
【数２７】
2019007436.tif 000029
【００８５】
ここで、プラグギャップ長Ｌｇは、予め設定された固定値とされている。べき指数ｎは、１．０から３．０の範囲内の値とされている。例えば、最も簡単な近似として、べき指数ｎは、２．０の固定値に予め設定される（ｎ＝２）。この設定により、制御装置５０の演算負荷を低減できる。
【００８６】
或いは、上述したように、べき指数ｎは点火時点の筒内圧等に応じて変化するため、放電プラズマ長算出部５４は、点火時点の筒内圧に相関する内燃機関の運転状態に応じて、べき指数ｎを、１．０から３．０の範囲内で変化させてもよい。例えば、放電プラズマ長算出部５４は、べき指数ｎと、筒内圧に相間する運転状態との関係が予め設定されたべき指数設定マップを参照し、現在の運転状態に対応するべき指数ｎを算出する。点火時点の筒内圧に相間する運転状態として、充填効率が用いられてもよいし、充填効率に加えて内燃機関の回転速度が用いられてもよい。或いは、点火時点の筒内圧に相間する運転状態として、充填効率、ポリトロープの関係式などにより推定した推定筒内圧が用いられてもよい。
【００８７】
続くステップ１２０４で、放電プラズマ長算出部５４は、放電期間中の放電プラズマ長Ｌに基づいて、放電期間中の放電プラズマ長Ｌの最大値Ｌｍａｘを算出する。例えば、放電プラズマ長算出部５４は、次式に示すような、サンプリング番号ｍの放電プラズマ長Ｌ（ｍ）と、前回処理時の放電プラズマ長の最大値Ｌｍａｘとの最大値取りを行った値を、今回処理時の放電プラズマ長の最大値Ｌｍａｘとして更新する処理を、サンプリング番号ｍをＡ／Ｄ変換開始番号から終了番号まで変化させて繰り返し行い、放電期間中の放電プラズマ長Ｌの最大値Ｌｍａｘを算出する。ここで、ｍａｘ（）は、最大値取りの処理を表す。なお、放電プラズマ長の最大値Ｌｍａｘは、点火毎に０にリセットされる。
【数２８】
2019007436.tif 000030
【００８８】
＜吹き飛び回数Ｎｒの算出＞
続くステップ１２０５で、放電プラズマ長算出部５４は、放電期間中の放電プラズマ長Ｌに基づいて、放電期間中の放電プラズマの吹き飛び回数Ｎｒを算出する。放電プラズマの吹き飛びとは、筒内流動が強すぎるために放電プラズマが途切れてしまうことをいい、通常は吹き飛び後に点火コイルのコアにエネルギーが残っている時には再度火花放電（再放電）が生じる。このため、筒内流動が強い場合には、１点火間に何度も放電プラズマの吹き飛びが起こることがある。なお、似た現象として放電プラズマの経路短縮がある。これは放電プラズマが伸長した際に、長く伸びた放電プラズマが絡むように接触することで、放電プラズマが短い経路に切り替わることをいう。
【００８９】
図１７は、放電プラズマの吹き飛び及び経路短縮が起きた場合の２次コイル１３２側の挙動を示すタイミングチャート図である。図１７の時刻ｔ３で、放電プラズマが吹き飛んだ後に再放電が起きている場合を示している。再放電の開始直後の放電プラズマ長Ｌは、プラグギャップ長Ｌｇまで再び短くなる。２次電圧Ｖ２（絶対値）は、時刻ｔ３で、絶縁破壊電圧Ｖｂｋ近くまで短時間に上昇し、絶縁破壊を生じさせた後、再放電の開始により最小値Ｖ２ｍｉｎまで低下している。２次電流Ｉ２（絶対値）は、時刻ｔ３で、放電プラズマの吹き飛びにより一旦ゼロまで落ちた後、再放電の開始により、磁気エネルギーに応じた、吹き飛び直前と同レベルまで回復している。
【００９０】
時刻ｔ４で、経路短縮が起きた場合を示している。経路短縮直後の放電プラズマ長は、プラグギャップ長Ｌｇ付近まで再び短くなる。２次電圧Ｖ２は、時刻ｔ４で、最小値Ｖ２ｍｉｎまで低下しているものの、絶縁破壊を生じる必要が無く、上昇していない。２次電流Ｉ２には、時刻ｔ４で、ノイズのような変動が重畳している。ここでは放電プラズマの吹き飛びも経路短縮も、同じように燃焼性へ影響があるものと考えて、吹き飛び回数Ｎｒに数えられるものとするが、吹き飛びのみが数えられるようにしてもよい。
【００９１】
放電プラズマの吹き飛び及び経路短縮が生じたとき、放電プラズマの長は瞬時に短くなる。このとき、（１３）式又は（２７）式により算出される放電プラズマ長Ｌは、２次電圧Ｖ２が最小値Ｖ２ｍｉｎ付近まで低下するので、瞬時に小さくなる。そこで、放電プラズマ長算出部５４は、放電プラズマ長Ｌの時間減少量ΔＬが、予め設定された吹き飛び判定値Ｋｊｄｇより大きい場合に、吹き飛びが生じたと判定し、吹き飛び回数Ｎｒを１増加させる。
【００９２】
放電プラズマ長算出部５４は、次式に示すように、１つ前のサンプリング番号（ｍ−１）の放電プラズマ長Ｌ（ｍ−１）から今回のサンプリング番号（ｍ）の放電プラズマ長Ｌ（ｍ）を減算して算出した時間減少量ΔＬが、吹き飛び判定値Ｋｊｄｇより大きいか否かを判定し、大きい場合に、吹き飛び回数Ｎｒを１増加させる処理を、サンプリング番号ｍをＡ／Ｄ変換開始番号から終了番号まで変化させて繰り返し行い、放電期間中の吹き飛び回数Ｎｒを算出する。ここで、吹き飛び判定値Ｋｊｄｇは、プラグギャップ長Ｌｇと同程度から数倍程度の範囲内の値に設定されるとよい。なお、吹き飛び回数Ｎｒは、点火毎に０にリセットされる。
【数２９】
2019007436.tif 000031
【００９３】
なお、吹き飛び回数Ｎｒから、経路短縮によるものを除外する場合は、放電プラズマ長Ｌの時間減少量ΔＬが吹き飛び判定値Ｋｊｄｇより大きくなる条件に加えて、２次電圧Ｖ２が絶縁破壊電圧Ｖｂｋに近い値まで上昇した場合のみ、吹き飛び回数Ｎｒを１増加させればよい。
【００９４】
このように吹き飛び回数Ｎｒを算出することで、筒内流動に相間する値を、放電プラズマ長Ｌに加えて、算出することができ、筒内流動の強弱の判定精度を向上させることができる。
【００９５】
＜筒内流動算出部５８＞
続くステップ１２０６で、筒内流動算出部５８は、放電プラズマ長Ｌの時間変化と放電プラズマの荷電粒子が受けるクーロン力とに基づいて、燃焼室内の気体の流動速度である筒内流動速度ｖａを算出する筒内流動算出処理（筒内流動算出算出ステップ）を実行する。上述した筒内流動速度算出の考え方からわかるように、放電プラズマ長Ｌの時間変化と放電プラズマのクーロン力に基づいて、筒内流動速度ｖａを算出することができる。
【００９６】
本実施の形態では、筒内流動算出部５８は、放電プラズマ長Ｌの時間変化に基づいて、筒内流動による放電プラズマの伸長により、放電プラズマの中間部３２が筒内流動の方向に移動する移動速度ｖｐを算出する。例えば、放電プラズマをＵ字型にモデル化し、Ｕ字の第１側部３０及び第２側部３１の２個所が、中間部３２の移動速度ｖｐで伸長することから導出した（１７）式と同様の次式が用いられる。筒内流動算出部５８は、放電プラズマ長Ｌの時間変化率を２で除算した値を、放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐとして算出する。筒内流動算出部５８は、今回のサンプリング番号（ｍ）の放電プラズマ長Ｌ（ｍ）から、１つ前のサンプリング番号（ｍ−１）の放電プラズマ長Ｌ（ｍ−１）を減算した値を、サンプリング時間間隔Δｔで除算した値を、放電プラズマ長Ｌの時間変化率として算出し、その時間変化率を２で除算した値を、今回のサンプリング番号（ｍ）の中間部３２の移動速度ｖｐ（ｍ）として算出する。図１６に示すように、筒内流動算出部５８は、サンプリング番号ｍをＡ／Ｄ変換開始番号から終了番号まで変化させて、移動速度ｖｐの算出を繰り返し行い、ＲＡＭ等の記憶装置９１に記憶する。
【数３０】
2019007436.tif 000032
【００９７】
上述したように、電力管としての放電プラズマには、放電プラズマに沿った方向に、放電プラズマが縮もうとするマクスウェルの応力ｐｍの張力が働き、放電プラズマに垂直な方向に、放電プラズマの側面を押圧するマクスウェルの応力ｐｍの圧力が加わり、放電プラズマは、電気的なひずみを受けた弾性体のように振る舞う。そのため、マクスウェルの応力ｐｍが、筒内流動に応じて伸長しようとする放電プラズマに作用する。筒内流動算出部５８は、２次電圧Ｖ２及び放電プラズマ長Ｌに基づいて、クーロン力により放電プラズマに作用するマクスウェルの応力ｐｍを算出する。筒内流動算出部５８は、（２１）式、（２２）式と同様の次式が用いて、マクスウェルの応力ｐｍを算出する。ここで、真空の誘電率ε０は、予め設定された値とされる。図１６に示すように、筒内流動算出部５８は、サンプリング番号ｍをＡ／Ｄ変換開始番号から終了番号まで変化させて、マクスウェルの応力ｐｍの算出を繰り返し行い、ＲＡＭ等の記憶装置９１に記憶する。
【数３１】
2019007436.tif 000033
【００９８】
筒内流動算出部５８は、放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐ及びマクスウェルの応力ｐｍに基づいて、筒内流動速度ｖａを算出する。この構成によれば、放電プラズマに作用するマクスウェルの応力ｐｍの張力等により生じる、筒内流動速度ｖａと放電プラズマの移動速度ｖｐとのずれを考慮して、筒内流動速度ｖａを精度よく算出することができる。
【００９９】
上述したように、Ｕ字型にモデル化した放電プラズマの中間部３２についての、マクスウェルの応力ｐｍを考慮した（２３）式の運動量の方程式から（２４）式を導出することができた。筒内流動算出部５８は、（２４）式と同様の次式の第１式を用い、放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐ、及びマクスウェルの応力ｐｍに基づいて、筒内流動速度ｖａを算出する。
【数３２】
2019007436.tif 000034
【０１００】
ここで、換算係数Ｋは、（３２）式の第２式を用いて、プラグギャップ長Ｌｇ及び放電プラズマの半径ｒにより算出された値に予め設定されてもよく、或いは、実験データに基づいて調整された適合値とされてもよい。筒内流動算出部５８は、クランク角度と燃焼室２５の容積との幾何学的関係を表す特性データを用い、クランク角度に基づいて燃焼室２５の容積を算出し、燃焼室２５内に吸入された吸入空気量を、燃焼室２５の容積で除算して、気体密度ρを算出する。図１６に示すように、筒内流動算出部５８は、サンプリング番号ｍをＡ／Ｄ変換開始番号から終了番号まで変化させて、筒内流動速度ｖａの算出を繰り返し行い、ＲＡＭ等の記憶装置９１に記憶する。
【０１０１】
或いは、（２４）式を近似した（２５）式から、筒内流動速度ｖａは、放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐに、マクスウェルの応力ｐｍに応じた値を加算することにより算出できることがわかる。そこで、筒内流動算出部５８は、放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐにマクスウェルの応力ｐｍに応じた値を加算した値を、筒内流動速度ｖａとして算出するように構成されてもよい。ここで、筒内流動算出部５８は、（２５）式の右辺第２項を用いて、マクスウェルの応力ｐｍに応じた値を算出してもく、或いは、マクスウェルの応力ｐｍ及び放電プラズマの中間部３２の移動速度ｖｐを変数とした別の関数を用いて、マクスウェルの応力ｐｍに応じた値を算出してもよい。例えば、関数は、実験データに基づく近似式等とされる。
【０１０２】
次に、図１８のフローチャートを参照しながら、放電プラズマ長Ｌ、筒内流動速度ｖａ等に基づいて、筒内流動を操作する処理を説明する。
【０１０３】
＜流動相関値算出部５５＞
ステップ１５０１で、流動相関値算出部５５は、放電プラズマ長Ｌ及び筒内流動速度ｖａの一方又は双方に基づいて、燃焼室２５内の流動である筒内流動の強弱を表す流動相関値Ｃｖを算出する流動相関値算出処理（流動相関値算出ステップ）を実行する。放電プラズマ長Ｌを用いる場合は、流動相関値算出部５５は、放電期間中の放電プラズマ長Ｌに基づいて算出された、放電期間中の放電プラズマ長の最大値Ｌｍａｘに基づいて流動相関値Ｃｖを算出する。流動相関値算出部５５は、放電期間中の放電プラズマ長の最大値Ｌｍａｘが、図１９に示すように、予め設定されたプラグギャップ長Ｌｇよりも大きくなるに従って、流動相関値Ｃｖを次第に増加させる。
【０１０４】
筒内流動速度ｖａを用いる場合は、流動相関値算出部５５は、放電期間中の筒内流動速度ｖａの平均値又は最大値等の統計処理値に基づいて流動相関値Ｃｖを算出する。図２０に示すように、流動相関値算出部５５は、筒内流動速度ｖａの統計処理値が増加するに従って、流動相関値Ｃｖを次第に増加させる。
【０１０５】
流動相関値算出部５５は、放電プラズマ長Ｌを用いて算出した流動相関値Ｃｖ及び筒内流動速度ｖａを用いて算出した流動相関値Ｃｖの一方を用いてもよく、双方の平均値を用いてもよく、運転条件に応じていずれを用いるかを切り替えてもよい。
【０１０６】
筒内流動が強すぎて放電プラズマの吹き飛び又は経路短縮が生じた場合は、吹き飛びにより放電プラズマ長Ｌが一旦短くなるために、放電プラズマ長の最大値Ｌｍａｘが筒内流動の強さほど、大きくならない。また、吹き飛び又は経路短縮が生じた時に、放電プラズマ長Ｌの時間変化率が乱れ、筒内流動速度ｖａの算出精度が悪化する。そこで、流動相関値算出部５５は、放電期間中の放電プラズマ長の最大値Ｌｍａｘ又は筒内流動速度ｖａ、及び吹き飛び回数Ｎｒに基づいて、流動相関値Ｃｖを算出するように構成されている。なお、筒内流動速度ｖａの統計処理により、筒内流動速度ｖａの算出精度の悪化を抑制できる場合は、流動相関値Ｃｖの算出に、吹き飛び回数Ｎｒが考慮されなくてもよい。
【０１０７】
例えば、流動相関値算出部５５は、放電期間中の吹き飛び回数Ｎｒが０回である場合は、上記のように、放電期間中の放電プラズマ長の最大値Ｌｍａｘ又は筒内流動速度ｖａに基づいて、流動相関値Ｃｖを算出する。流動相関値算出部５５は、放電期間中の吹き飛び回数Ｎｒが１回以上である場合は、吹き飛び回数Ｎｒに基づいて流動相関値Ｃｖを算出する。ここで、吹き飛び回数Ｎｒに基づく流動相関値Ｃｖは、後述する流動強判定値Ｔｈｓよりも大きい値に設定される。すなわち、後述する流動制御部５６は、放電期間中の吹き飛び回数Ｎｒが１回以上である場合は、筒内流動が強いと判定する。図１９及び図２０に示すように、流動相関値算出部５５は、放電期間中の吹き飛び回数Ｎｒが増加するに従って、流動相関値Ｃｖを次第に増加させる。
【０１０８】
＜流動制御部５６及び点火エネルギー増大部５７＞
ステップ１５０２からステップ１５０５で、流動制御部５６は、流動相関値Ｃｖに基づいて、筒内流動が強いか弱いかを判定し、筒内流動が強いと判定した場合は、筒内流動を操作可能な流動操作機構を、流動を弱める側に制御し、流動が弱いと判定した場合は、流動操作機構を、流動を強める側に制御する流動制御処理（流動制御ステップ）を実行する。
【０１０９】
本実施の形態では、流動制御部５６は、ステップ１５０２で、流動相関値Ｃｖが、予め設定された流動強判定値Ｔｈｓよりも大きく、筒内流動が強いか否かを判定する。流動制御部５６は、ステップ１５０２で流動相関値Ｃｖが流動強判定値Ｔｈｓよりも大きく、筒内流動が強いと判定された場合は、ステップ１５０３で、流動操作機構を、流動を弱める側に制御する。
【０１１０】
本実施の形態では、流動操作機構は、吸気バルブ１０及び排気バルブ１１の開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構とされており、流動制御部５６は、ステップ１５０３で、吸気バルブ１０の開閉タイミングの位相角、及び排気バルブ１１の開閉タイミングの位相角を筒内流動が弱くなる方向に変化させる。流動制御部５６は、回転速度及び充填効率等の運転状態と、筒内流動を弱めるための吸気及び排気バルブの位相角との関係が予め設定された位相角マップを参照し、現在の運転状態に対応する筒内流動を弱めるための吸気及び排気バルブの位相角を算出する。そして、流動制御部５６は、吸気及び排気バルブの位相角を、筒内流動を弱めるための吸気及び排気バルブの位相角に向かって変化させる。
【０１１１】
また、点火エネルギー増大部５７は、ステップ１５０３で、筒内流動が強いと判定された場合は、点火コイル制御部５１に指令して、点火プラグ１２に供給される点火エネルギーを増大させる。具体的には、点火エネルギー増大部５７は、点火コイル制御部５１に指令して通電時間を運転状態に応じて算出された値から増加させる。通電時間を長くすると、１次コイル１３１によりコア１３６に蓄えられる磁気エネルギーが増大するため、２次電流Ｉ２が大きくなる。この場合、（４）式で考えたように放電プラズマの断面積Ｓも大きくなることから、放電プラズマが吹き飛びにくくなり、混合気の着火性が向上する。
【０１１２】
一方、流動制御部５６は、ステップ１５０２で流動相関値Ｃｖが流動強判定値Ｔｈｓよりも大きくないと判定した場合は、ステップ１５０４に進み、流動相関値Ｃｖが、流動強判定値Ｔｈｓ以下の値に予め設定された流動弱判定値Ｔｈｗよりも小さく、筒内流動が弱いか否かを判定する。流動制御部５６は、ステップ１５０４で流動相関値Ｃｖが流動弱判定値Ｔｈｗよりも小さく、筒内流動が弱いと判定された場合は、ステップ１５０５で、流動操作機構（吸気及び排気バルブの位相角）を、流動を強める側に制御する。
【０１１３】
本実施の形態では、流動制御部５６は、ステップ１５０５で、吸気バルブ１０の開閉タイミングの位相角、及び排気バルブ１１の開閉タイミングの位相角を筒内流動が強くなる方向に変化させる。流動制御部５６は、回転速度及び充填効率等の運転状態と、筒内流動を強めるための吸気及び排気バルブの位相角との関係が予め設定された位相角マップを参照し、現在の運転状態に対応する筒内流動を強めるための吸気及び排気バルブの位相角を算出する。そして、流動制御部５６は、吸気及び排気バルブの位相角を、筒内流動を強めるための吸気及び排気バルブの位相角に向かって変化させる。
【０１１４】
なお、点火エネルギー増大部５７は、ステップ１５０４で、筒内流動が弱いと判定された場合は、点火プラグ１２に供給される点火エネルギーを変化させない。すなわち、通電時間は、運転状態に応じて算出された値のままに維持される。
【０１１５】
一方、流動制御部５６は、ステップ１５０４で流動相関値Ｃｖが流動弱判定値Ｔｈｗよりも小さくないと判定した場合は、筒内流動が強くも弱くもない、中間的な流動状態であると判定する。そして、流動制御部５６は、流動操作機構（吸気及び排気バルブの位相角）を弱める側にも強める側にも変化させず、処理を終了する。点火エネルギー増大部５７も、点火エネルギーを変化させない。
【０１１６】
以上のように、放電プラズマ長Ｌ及び筒内流動速度ｖａを推定し、推定した放電プラズマ長Ｌ及び筒内流動速度ｖａの一方又は双方に基づいて筒内流動や点火エネルギーを制御することで、例えば高希釈燃焼のような安定燃焼領域の狭い燃焼時においても良好な燃焼性を確保することができる。
【０１１７】
〔その他の実施の形態〕
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
【０１１８】
（１）上記の実施の形態１においては、２次電圧検出部５２は、２次電圧Ｖ２を直接的に検出する点火コイル電圧センサ１３４の出力信号に基づいて２次電圧Ｖ２を検出するように構成されている場合を例として説明した。しかし、２次電圧Ｖ２は非常に高電圧になるため、この電圧を制御装置５０に取り込むと大きなノイズが発生して、制御装置５０が誤作動を起こす恐れがあり、ノイズ対策が必要になる。そこで、２次電圧検出部５２は、１次コイル１３１により生じた電圧である１次電圧Ｖ１を検出し、１次電圧Ｖ１に基づいて２次電圧Ｖ２を検出するように構成されてもよい。
【０１１９】
図２１に、この場合の点火プラグ１２及び点火コイル１３の回路構成図を示す。点火コイル１３は、１次コイル１３１により生じる電圧である１次電圧Ｖ１に応じた電気信号を出力する点火コイル電圧センサ１３８を備えている。点火コイル電圧センサ１３８は、１次電圧Ｖ１を、直列接続された２つの抵抗で分圧する分圧回路とされており、イグナイタ１３３に並列接続されている。２つの抵抗の接続点の分圧電圧が、制御装置５０に入力される。
【０１２０】
１次コイル１３１の一端は、直流電源２０の正極に接続され、１次コイル１３１の他端は、イグナイタ１３３を介して、グランドに接続されている。また、１次コイル１３１の他端は、分圧回路とされた点火コイル電圧センサ１３８を介してグランドに接続されている。２次コイル１３２の一端は、直流電源２０の正極に接続され、２次コイル１３２の他端は、点火プラグ１２を介してグランドに接続されている。
【０１２１】
２次電圧検出部５２は、点火コイル電圧センサ１３４としての分圧回路の分圧電圧を、入力回路９２のＡ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換値及び分圧抵抗比に基づいて１次電圧Ｖ１を検出する。そして、２次電圧検出部５２は、次式に示すように、検出した１次電圧Ｖ１に、１次コイル１３１と２次コイル１３２との巻き数比Ｎを乗算した値を、２次電圧Ｖ２として検出する。巻き数比Ｎは、２次コイル１３２の巻き数を、１次コイル１３１の巻き数で除算した値であり、予め設定されている。
【数３３】
2019007436.tif 000035
【０１２２】
この構成によれば、２次電圧Ｖ２より電圧の低い１次電圧Ｖ１を制御装置５０に取り込むので、ノイズの抑制ができるようになり、実施の形態１に比べると、電圧検出のノイズ対策を軽減することができる。
【０１２３】
（２）上記の実施の形態１においては、流動操作機構は、吸気バルブ１０及び排気バルブ１１の開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構とされている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、流動操作機構は、筒内流動を操作可能な機構であれば、どのような機構であってもよく、１つ又は複数の流動操作機構が備えられ、流動相関値Ｃｖに基づいて制御されてもよい。例えば、流動操作機構は、吸気ポートの一部を塞いで燃焼室２５内にスワール流動又はタンブル流動を生じさせる吸気ポートバルブであってもよい。制御装置５０は、電動アクチュエータを制御して、吸気ポートバルブの開度を変化させる。
【０１２４】
スワール流動を生じさせる吸気ポートバルブは、一般に、スワールコントロールバルブと呼ばれるものであって、例えば、２つある吸気ポートの片側のみを塞ぎ、燃焼室２５内の横渦（スワール）流動の強弱を操作できる。タンブル流動を生じさせる吸気ポートバルブは、一般に、タンブルコントロールバルブと呼ばれるものであって、例えば、吸気ポートの上側又は下側のみを塞ぎ、燃焼室２５内の縦渦（タンブル）流動の強弱を操作できる。
【０１２５】
流動制御部５６は、流動が強いと判定した場合は、吸気ポートバルブの開度を、流動を弱める側（例えば、開き側）に変化させ、流動が弱いと判定した場合は、吸気ポートバルブの開度を、流動を強める側（例えば、開き側）に変化させる。
【０１２６】
（３）上記の実施の形態１においては、放電プラズマ長算出部５４は、（１３）式又は（２７）式により、放電プラズマ長Ｌを算出するように構成されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、放電プラズマ長算出部５４は、２次電圧Ｖ２及び２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎに基づいて、放電プラズマ長Ｌを算出すれば他の方法を用いてもよい。例えば、放電プラズマ長算出部５４は、２次電圧Ｖ２及び２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎ（例えば、Ｖ２／Ｖ２ｍｉｎ）と、放電プラズマ長Ｌとの関係が予め設定されたプラズマ長マップを参照し、今回の２次電圧Ｖ２及び２次電圧の最小値Ｖ２ｍｉｎに対応する放電プラズマ長Ｌを算出するように構成されてもよい。
【０１２７】
（４）上記の実施の形態１においては、流動制御部５６は、流動相関値Ｃｖが流動強判定値Ｔｈｓよりも大きい場合に、流動を弱める側に流動操作機構を制御し、流動相関値Ｃｖが流動弱判定値Ｔｈｗよりも小さい場合に、流動を強める側に流動操作機構を制御するように構成されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、流動制御部５６は、流動相関値Ｃｖに基づいて、筒内流動の強弱を判定し、流動が強いと判定した場合は、流動を弱める側に流動操作機構を制御し、流動が弱いと判定した場合は、流動を強める側に流動操作機構を制御すればどのような方法を用いてもよい。例えば、流動制御部５６は、目標流動相関値と流動相関値Ｃｖとの偏差に応じて、流動を強める側又は弱める側への流動操作機構の操作量を変化させてもよい。
【０１２８】
本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【０１２９】
１  内燃機関、１０  吸気可変バルブタイミング機構、１１  排気可変バルブタイミング機構、１２  点火プラグ、１３  点火コイル、２０  直流電源、２５  燃焼室、３２  放電プラズマの中間部、５０  内燃機関の制御装置、５１  点火コイル制御部、５２  ２次電圧検出部、５３  ２次電圧最小値算出部、５４  放電プラズマ長算出部、５５  流動相関値算出部、５６  流動制御部、５７  点火エネルギー増大部、１２２  プラグギャップ、１３１  １次コイル、１３２  ２次コイル、Ｃｖ  流動相関値、Ｋｊｄｇ  吹き飛び判定値、Ｌ  放電プラズマの長さ（放電プラズマ長）、Ｌｇ  プラグギャップの長さ（プラグギャップ長）、Ｌｍａｘ  放電プラズマの長さの最大値、Ｎ  巻き数比、Ｎｒ  吹き飛び回数、Ｖ１  １次電圧、Ｖ２  ２次電圧、Ｖ２ｍｉｎ  ２次電圧の最小値、ｎ  べき指数、ｐｍ  マクスウェルの応力、ｖａ  筒内流動速度、ｖｐ  放電プラズマの中間部の移動速度、ΔＬ  放電プラズマの長さの時間減少量
【図１】
2019007436.tif 000036
【図２】
2019007436.tif 000037
【図３】
2019007436.tif 000038
【図４】
2019007436.tif 000039
【図５】
2019007436.tif 000040
【図６】
2019007436.tif 000041
【図７】
2019007436.tif 000042
【図８】
2019007436.tif 000043
【図９】
2019007436.tif 000044
【図１０】
2019007436.tif 000045
【図１１】
2019007436.tif 000046
【図１２】
2019007436.tif 000047
【図１３】
2019007436.tif 000048
【図１４】
2019007436.tif 000049
【図１５】
2019007436.tif 000050
【図１６】
2019007436.tif 000051
【図１７】
2019007436.tif 000052
【図１８】
2019007436.tif 000053
【図１９】
2019007436.tif 000054
【図２０】
2019007436.tif 000055
【図２１】
2019007436.tif 000056