(57)【要約】【課題】  内燃機関の燃焼室の混合気に確実に着火することの可能な制御装置を提供する。【解決手段】  気流制御弁２４は、エンジン１３の燃焼室１７にタンブル流を形成する。エネルギ投入部５０は、エンジン１３の運転状態に応じて点火プラグ７の放電の維持期間を調節可能である。このエンジンシステム１０を制御する制御装置３２は、点火プラグ７が燃焼室１７の混合気に火花放電を発生する際の二次電圧に基づき放電アークの伸長量を算出する。制御装置３２は、算出した放電アークの伸長量が、エンジン１３の運転状態に応じて要求される要求量よりも小さいとき、点火プラグ７の放電の維持期間に燃料噴射弁１６から燃料噴射を行う。これにより、エンジン１３の燃焼サイクル毎のばらつきにより、燃焼室１７のタンブル流の弱いサイクルが生じても、制御装置３２は失火を防ぐことができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１３）の燃焼室（１７）に気流を形成する気流形成手段（２４）と、
前記燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（１６）と、
前記燃焼室の混合気に火花放電する点火プラグ（７）と、
直流電源（６）から一次電流（Ｉ１）が供給される一次コイル（４１）、及び前記点火プラグの電極に接続されて前記一次電流の通電及び遮断によって生じる二次電流（Ｉ２）が流れる二次コイル（４２）を有する点火コイル（４０）と、
前記一次コイルの反直流電源側の配線に接続され、前記一次電流の通電と遮断を切り替え可能な点火スイッチ（４５）と、
前記内燃機関の運転状態に応じて前記点火プラグの放電の維持期間を調節可能なエネルギ投入手段（５０）と、
前記一次電流、一次電圧、前記二次電流及び二次電圧の少なくともいずれか１つを検出する検出手段（４４，４４１，４７，４７１）と、を備えたエンジンシステム（１０）を制御する制御装置（３２）であって、
前記検出手段の検出値に基づいて算出した前記点火プラグの放電アークの伸長量が、前記内燃機関の運転状態に応じて要求される要求量よりも小さいとき、前記点火プラグの放電の維持期間に前記燃料噴射弁から燃料噴射を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記検出手段の検出値に基づき前記点火プラグの放電アークの伸長量を算出する伸長量算出手段（８１）と、
前記内燃機関の運転状態に応じて要求される放電アークの伸長の要求量を算出する要求量算出手段（８２）と、
前記伸長量算出手段により算出された放電アークの伸長量が、前記要求量算出手段により算出された要求量よりも小さいか否かを判定する伸長量判定手段（８３）と、
前記内燃機関の吸気行程で前記燃料噴射弁から燃料の一次噴射を行い、前記伸長量判定手段により放電アークの伸長量が要求量よりも小さいと判断されたときは圧縮行程で前記燃料噴射弁から燃料の二次噴射を行い、前記伸長量判定手段により放電アークの伸長量が要求量以上と判断されたときは二次噴射を行わない噴射制御手段（８４）と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記点火プラグの放電時期を設定する放電時期設定手段（８８）を備え、
前記放電時期設定手段は、前記内燃機関の圧縮行程で一次放電及びその一次放電の後に二次放電を行い、
前記伸長量算出手段は、前記一次放電を行った際の前記検出手段の検出値に基づき前記点火プラグの放電アークの伸長量を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記一次放電は、混合気に着火することなく、且つ、前記伸長量算出手段が前記点火プラグの放電アークの伸長量を検出可能な程度の放電継続期間であり、
前記二次放電は、混合気に着火可能な程度の放電継続期間であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記制御装置は、
前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段（８６）と、
放電アークの伸長量が要求量よりも小さいときに行う燃料噴射の噴霧が前記点火プラグの放電の維持期間の終了前に前記点火プラグの放電アークに到達可能であるか否かを、前記内燃機関の回転数に基づき算出する到達判断手段（８７）と、を備え、
前記点火プラグの放電の維持期間の終了前に前記点火プラグの放電アークに燃料噴霧が到達しないことを前記到達判断手段が判断したときのみ、前記放電時期設定手段は一次放電を行うことを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記伸長量算出手段は、前記検出手段の検出値に基づく二次電圧の所定時間における変化率に基づき、前記点火プラグの放電アークの伸長量を検出することを特徴とする請求項２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】
前記要求量算出手段は、前記内燃機関の吸気圧、吸気温、水温及び設定空燃比の少なくともいずれか一つに基づき、放電アークの伸長の要求量を算出することを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記要求量算出手段により算出された要求量が大きい程、前記エネルギ投入手段が前記点火プラグの放電を維持する期間を長く設定し、
前記要求量算出手段により算出された要求量が小さい程、前記エネルギ投入手段が前記点火プラグの放電を維持する期間を短く設定するエネルギ投入期間設定手段（８５）を備えることを特徴とする請求項２から７のいずれか一項に記載の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、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の運転状態に応じて混合気をリーン燃焼する運転モードと、ストイキ等で燃焼する運転モードとを切り替える内燃機関の制御装置が知られている。
特許文献１に記載の内燃機関の制御装置は、内燃機関の燃焼サイクル毎のばらつきにより燃焼室に形成されるタンブル流が弱くなり、これに伴って放電アークの伸長量が短い燃焼サイクルが発生した場合、気筒に取り付けた磁場発生手段を駆動する。これにより、磁場発生手段が発生する磁界により放電アークを伸ばし、混合気の着火性を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−７３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関の制御装置は、磁場発生手段を駆動するときは燃焼室のタンブル流が弱いので、点火プラグの放電により生成された火炎核の移動量が小さいことが懸念される。これにより、空燃比がリーンの混合気全体に火炎伝播が正常に行われないと、失火によりトルク変動率が増大するおそれがある。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の燃焼室の混合気に確実に着火することの可能な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】
【０００５】
本発明は、燃焼室に気流が形成される内燃機関を制御する制御装置において、点火プラグの放電アークの伸長量が内燃機関の運転状態に応じて要求される要求量よりも小さいとき、点火プラグの放電の維持期間に燃料噴射弁から燃料噴射を行うことを特徴とする。
【０００６】
内燃機関の燃焼サイクル毎のばらつきにより内燃機関の燃焼室に導入される気流が弱くなると、点火プラグの放電アークが気流によって伸ばされず、その伸長量が小さくなることがある。この放電アークの伸長量が内燃機関の運転状態に応じて要求される要求量よりも小さいとき、制御装置は燃料噴射弁から燃料噴射を行い、点火プラグの電極近傍に燃料噴霧による可燃層を形成する。この制御装置が制御する内燃機関は、その可燃層に着火した火炎核が拡大及び移動することで、燃焼室の混合気を燃焼させることが可能である。したがって、気流の弱いサイクルが生じても失火が防がれるので、制御装置は、内燃機関のトルク変動率を安定させると共に、気流の弱いサイクルのみに圧縮行程噴射を実行するため、常時圧縮行程噴射を実行する制御と比較してＮＯｘ排出量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１実施形態による内燃機関の制御装置が適用されるエンジンシステムの概略構成図である。
【図２】内燃機関の制御装置が制御する点火装置の回路図である。
【図３】点火装置の基本動作を説明したタイムチャートである。
【図４】放電伸長量と着火時期との関係を示した実験データである。
【図５】第１実施形態の制御装置が行う処理を説明したフローチャートである。
【図６】内燃機関の運転領域を説明するマップである。
【図７】燃焼サイクル毎の二次電圧のばらつきを示した実験データである。
【図８】第１実施形態の制御装置が行う噴射制御を説明したタイムチャートである。
【図９】第２実施形態の制御装置が行う処理を説明したフローチャートである。
【図１０】第２実施形態の制御装置が行う放電制御を説明したタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による内燃機関の制御装置は、車両等に搭載されるエンジンシステムの各部を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）である。以下の説明では、特許請求の範囲に記載の「内燃機関」を「エンジン」という。
【０００９】
［エンジンシステムの構成］
まず、エンジンシステムの概略構成について図１を参照して説明する。
エンジンシステム１０は火花点火式のエンジン１３を備えている。エンジン１３は、例えば４気筒等の多気筒エンジンであり、図１では１気筒の断面のみを図示している。以下に説明する構成は、図示しない他の気筒にも同様に設けられている。
【００１０】
エンジン１３は、スロットル弁１４を通じて吸気マニホールド１５から供給される空気と燃料噴射弁１６から噴射される燃料との混合気を燃焼室１７内で燃焼させ、その燃焼時の爆発力によりピストン１８を往復運動させる。このピストン１８の往復運動は、クランクシャフト１９により回転運動に変換されて出力される。燃焼ガスは、排気マニホールド２０等を通じて大気中に放出される。
【００１１】
燃焼室１７の入口であるシリンダヘッド２１の吸気ポートには吸気弁２２が設けられ、また燃焼室１７の出口であるシリンダヘッド２１の排気ポートには排気弁２３が設けられている。吸気弁２２とスロットル弁１４との間に設けられた気流制御弁２４は、吸気ポートから燃焼室１７に導入される気流により燃焼室１７内にタンブル流を形成可能である。本実施形態の気流制御弁２４が、特許請求の範囲に記載の「気流形成手段」の一例に相当する。
なお、本実施形態の燃料噴射弁１６は、エンジン１３の燃焼室１７に燃料を直接噴射する直噴型である。図１では、シリンダヘッドの吸気弁２２の外側に燃料噴射弁１６を設けているが、燃料噴射弁１６はシリンダヘッドの吸気弁２２と排気弁２３との間に点火プラグ７と並べて設けてもよい。
【００１２】
燃焼室１７の混合気の点火は、点火装置３０によって点火プラグ７の電極間に火花放電を発生させることにより行われる。点火装置３０は、制御装置３２の指令に基づき点火回路ユニット３１を動作させて点火コイル４０から点火プラグ７に高電圧を印加することにより、燃焼室１７で火花放電を発生させる。
点火プラグ７は、エンジン１３の燃焼室１７で所定のギャップを隔てて対向する一対の電極（図２参照）を有し、上記ギャップで絶縁破壊を生させる高電圧が一対の電極間に印加されると火花放電を発生する。以下の説明において、「高電圧」とは、点火プラグ７が一対の電極間に放電を発生し得る電圧をいう。
【００１３】
制御装置３２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力ポート等からなるマイクロコンピュータによって構成されている。
制御装置３２は、アクセルペダル１１、燃圧センサ３４、筒内圧センサ３５、排気圧センサ３６、水温センサ３７、ＮＯｘセンサ３８、吸気圧センサ３９及びクランク角センサ１２、吸気温センサ２５等の各種センサから、破線矢印で示すように、検出信号が入力される。
制御装置３２は、上述した各種センサからの検出信号に基づき、実線矢印で示すように、スロットル弁１４、気流制御弁２４、燃料噴射弁１６、及び点火回路ユニット３１等を駆動してエンジン１３の運転を制御する。
【００１４】
［点火装置の構成］
次に、点火装置３０の構成について図２を参照して説明する。
図２に示すように、点火装置３０は、点火コイル４０及び点火回路ユニット３１などを含む。
点火コイル４０は、一次コイル４１、二次コイル４２及び整流素子４３を有し、公知の昇圧トランスを構成している。
一次コイル４１は、一端が、一定の直流電圧を供給可能な「直流電源」としてのバッテリ６の正極に接続され、他端が点火スイッチ４５を介して接地されている。なお、以下、一次コイル４１の反バッテリ側を「接地側」という。
二次コイル４２は、一次コイル４１と磁気回路を共有しており、一端が点火プラグ７の一対の電極を介して接地され、他端が接地されている。即ち、二次コイル４２は、一端と他端とが閉回路を構成している。
【００１５】
一次コイル４１に流れる電流を一次電流Ｉ１といい、一次電流Ｉ１の通電に続く遮断によって発生し、二次コイル４２に流れる電流を二次電流Ｉ２という。図中に矢印で示すように、一次電流Ｉ１は、一次コイル４１から点火スイッチ４５に向かう方向の電流を正とし、二次電流Ｉ２は、二次コイル４２から点火プラグ７に向かう方向の電流を正とする。
点火コイル４０は、一次コイル４１を流れる電流の変化に応じた相互誘導作用により二次コイル４２に高電圧を発生させ、この高電圧を点火プラグ７に印加する。
【００１６】
点火回路ユニット３１は、点火スイッチ（イグナイタ）４５、エネルギ投入部５０及び二次電流検出回路４８等を有している。
点火スイッチ４５は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）で構成されており、コレクタが点火コイル４０の一次コイル４１の接地側に接続され、エミッタが接地され、ゲートが制御装置３２に接続されている。コレクタは、整流素子４６を介してエミッタに接続されている。
点火スイッチ４５は、制御装置３２からゲートに入力される点火信号ＩＧＴに応じてオンオフ動作する。詳しくは、点火スイッチ４５は、点火信号ＩＧＴの立ち上がり時にオンとなり、点火信号ＩＧＴの立ち下がり時にオフとなる。一次コイル４１に流れる一次電流Ｉ１は、点火信号ＩＧＴに従い、点火スイッチ４５により通電及び遮断が切り替えられる。
【００１７】
「エネルギ投入手段」としてのエネルギ投入部５０は、ＤＣＤＣコンバータ５１、コンデンサ５６、放電スイッチ５７、放電スイッチ用ドライバ回路５８及び整流素子５９を有している。
ＤＣＤＣコンバータ５１は、エネルギ蓄積コイル５２、充電スイッチ５３、充電スイッチ用ドライバ回路５４、及び整流素子５５から構成されている。ＤＣＤＣコンバータ５１は、バッテリ６の電圧を昇圧し、コンデンサ５６に供給する。
【００１８】
エネルギ蓄積コイル５２は、一端がバッテリ６に接続され、他端が充電スイッチ５３を介して接地されている。充電スイッチ５３は、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）で構成されており、ドレインがエネルギ蓄積コイル５２に接続され、ソースが接地され、ゲートがドライバ回路５４に接続されている。ドライバ回路５４は、充電スイッチ５３をオンオフ駆動可能である。
整流素子５５は、ダイオードで構成されており、コンデンサ５６からエネルギ蓄積コイル５２及び充電スイッチ５３側への電流の逆流を防止する。
【００１９】
充電スイッチ５３がオンしたとき、エネルギ蓄積コイル５２に誘起電流が流れ、電気エネルギが蓄積される。また、充電スイッチ５３がオフしたとき、エネルギ蓄積コイル５２に蓄積された電気エネルギがバッテリ６の直流電圧に重畳してコンデンサ５６側へ放出される。充電スイッチ５３がオンオフ動作を繰り返すことで、エネルギ蓄積コイル５２にてエネルギの蓄積と放出が繰り返され、バッテリ電圧が昇圧される。
コンデンサ５６は、一方の電極が整流素子５５を介してエネルギ蓄積コイル５２と充電スイッチ５３との間の配線に接続され、他方の電極が接地されている。コンデンサ５６は、ＤＣＤＣコンバータ５１によって昇圧された電圧を蓄電する。
【００２０】
放電スイッチ５７は、例えばＭＯＳＦＥＴで構成されており、ドレインがコンデンサ５６に接続され、ソースが一次コイル４１の接地側に接続され、ゲートがドライバ回路５８に接続されている。ドライバ回路５８は、放電スイッチ５７をオンオフ駆動可能である。
整流素子５９は、ダイオードで構成されており、一次コイル４１からコンデンサ５６への電流の逆流を防止している。
【００２１】
二次電流検出回路４８は、二次電流検出部４７により二次コイル４２に流れる二次電流Ｉ２を検出する。そして、この二次電流検出回路４８は、二次電流Ｉ２を目標値（以下「維持目標電流値Ｉ２*」という。）に一致させるようとするフィードバック制御により、放電スイッチ５７のオンデューティ比を決定し、ドライバ回路５８に指令する。
二次電流検出部４７、二次電圧検出部４７１、一次電流検出部４４及び一次電圧検出部４４１の信号は制御装置３２に入力される。本実施形態の二次電流検出部４７、二次電圧検出部４７１、一次電流検出部４４及び一次電圧検出部４４１は、特許請求の範囲に記載の「検出手段」の一例に相当する。
【００２２】
制御装置３２は、エンジンの負荷及び回転数等から定められる運転領域に応じて放電を良好に維持可能な程度の電流に維持目標電流値Ｉ２*を設定する。制御装置３２は、維持目標電流値Ｉ２*を指示するための目標二次電流信号ＩＧＡを生成し、二次電流検出回路４８を介してドライバ回路５８に出力する。
また、制御装置３２は、各種センサから取得したエンジン１３の運転情報に基づいて、点火信号ＩＧＴ及びエネルギ投入期間信号ＩＧＷを生成し、点火回路ユニット３１に出力する。
【００２３】
点火信号ＩＧＴは、点火スイッチ４５のゲートと、充電スイッチ用ドライバ回路５４に入力される。点火スイッチ４５は、点火信号ＩＧＴが入力されている期間、オンとなる。ドライバ回路５４は、点火信号ＩＧＴが入力されている期間、充電スイッチ５３のゲートに対し、充電スイッチ５３をオンオフ制御する充電スイッチ信号ＳＷｃを繰り返し出力する。本実施形態では、充電スイッチ信号ＳＷｃは、周期が一定でオンデューティ比が可変である矩形波パルス信号である。
【００２４】
エネルギ投入期間信号ＩＧＷは、放電スイッチ用ドライバ回路５８に入力される。ドライバ回路５８は、エネルギ投入期間信号ＩＧＷが入力されている期間、放電スイッチ５７のゲートに対し、放電スイッチ５７をオンオフ制御する放電スイッチ信号ＳＷｄを繰り返し出力する。ドライバ回路５８は、二次電流検出回路４８から入力される目標二次電流信号ＩＧＡに基づき、放電スイッチ信号ＳＷｄのオンデューティ比を変更する。本実施形態では、放電スイッチ信号ＳＷｄは、周期が一定でオンデューティ比が可変である矩形波パルス信号である。
【００２５】
［点火装置の作動］
次に、点火装置３０の作動について図３のタイムチャートを参照して説明する。図３のタイムチャートは、共通の時間軸を横軸とし、縦軸に上から順に、点火信号ＩＧＴ、エネルギ投入期間信号ＩＧＷ、コンデンサ電圧Ｖｄｃ、一次電流Ｉ１、二次電流Ｉ２、投入エネルギＰ、充電スイッチ信号ＳＷｃ、放電スイッチ信号ＳＷｄの時間変化を示している。
ここで、「コンデンサ電圧Ｖｄｃ」はコンデンサ５６に蓄電された電圧を意味する。また、「投入エネルギＰ」は、コンデンサ５６から放出され、一次コイル４１の低電圧側端子側から点火コイル４０に供給されるエネルギを意味し、１回の点火タイミング中における供給開始（最初の放電スイッチ信号ＳＷｄの立ち上がり）からの積算値を示す。
【００２６】
図３の記載において、「一次電流Ｉ１」及び「二次電流Ｉ２」は、図２に示す矢印方向の電流を正の値とし、矢印と反対方向の電流を負の値とする。以下の説明において、負の電流の大小に言及する場合、「電流の絶対値」を基準として大小を表す。すなわち、負領域において、電流値が０［Ａ］から離れ絶対値が大きくなるほど「電流が増加又は上昇する」といい、０［Ａ］に近づき絶対値が小さくなるほど「電流が減少又は低下する」という。
【００２７】
また、エネルギ投入期間信号ＩＧＷが出力されている時刻ｔ３−ｔ４の期間における二次電流Ｉ２の制御目標値を、「維持目標電流値Ｉ２*」とする。維持目標電流値Ｉ２*は、エンジンの負荷及び回転数等から定められる運転領域に応じて放電を良好に維持可能な程度の電流値に設定される。本実施形態では、波形の最大値を目標値とするが、他の実施形態では、波形の最大値と最小値との中間値を目標値としてもよく、又は最小値を目標値としてもよい。
【００２８】
時刻ｔ１にて点火信号ＩＧＴがＨ（ハイ）レベルに立ち上がると、点火スイッチ４５がオンされる。このとき、エネルギ投入期間信号ＩＧＷはＬ（ロー）レベルであるので放電スイッチ５７はオフされている。これにより、一次コイル４１に一次電流Ｉ１が通電される。
【００２９】
また、点火信号ＩＧＴがＨレベルに立ち上がっている間、矩形波パルス状の充電スイッチ信号ＳＷｃが、充電スイッチ５３のゲートに入力される。これにより、充電スイッチ５３のオン後のオフ期間に、コンデンサ電圧Ｖｄｃがステップ状に上昇する。
このようにして、点火信号ＩＧＴがＨレベルに立ち上がっている時刻ｔ１−ｔ２間に、点火コイル４０が充電されるとともに、ＤＣＤＣコンバータ５１の出力によってコンデンサ５６にエネルギが蓄積される。このエネルギの蓄積は、時刻ｔ２までに終了する。
なお、コンデンサ電圧Ｖｄｃ、すなわちコンデンサ５６のエネルギ蓄積量は、充電スイッチ信号ＳＷｃのオンデューティ比、及びオンオフ回数によって制御可能である。
【００３０】
その後、時刻ｔ２にて点火信号ＩＧＴがＬレベルに立ち下げられ、点火スイッチ４５がオフされると、それまで一次コイル４１に通電していた一次電流Ｉ１が急激に遮断される。すると自己誘電作用により一次コイル４１に電圧が発生し、これと同時に磁気回路及び磁束を共有している二次コイル４２に相互誘導作用によって高電圧が発生し、点火プラグ７の電極間にて放電が発生する。放電が発生すると、二次電流Ｉ２が流れる。
時刻ｔ２で放電を発生させた後にエネルギ投入を行わない場合、二次電流Ｉ２は、破線で示すように、時間経過とともに０［Ａ］に近づき、放電を維持できない程度まで減衰すると放電は終了する。このような放電による点火方式を「通常点火」という。
【００３１】
それに対し本実施形態では、時刻ｔ２の直後の時刻ｔ３にエネルギ投入期間信号ＩＧＷがＨレベルに立ち上がることで、充電スイッチ５３がオフの状態で放電スイッチ５７がオンされる。これにより、コンデンサ５６に蓄積されたエネルギが放出され、一次コイル４１の接地側に投入される。これにより、放電中に、「投入エネルギＰに起因する一次電流Ｉ１」が通電する。なお、投入エネルギＰは、時刻ｔ２までに蓄積されたコンデンサ電圧Ｖｄｃが高いほど大きいものとなる。
【００３２】
このとき、二次コイル４２には、時刻ｔ２−ｔ３間に通電されていた二次電流Ｉ２に対し、投入エネルギＰに起因する一次電流Ｉ１の通電に伴う追加分の二次電流Ｉ２が同じ極性で重畳される。この二次電流Ｉ２の重畳は、時刻ｔ３−ｔ４の間、放電スイッチ５７がオンされる毎に行われる。
すなわち、放電スイッチ信号ＳＷｄがオンになる毎に、コンデンサ５６に蓄積されたエネルギにより一次電流Ｉ１が順次追加され、これに対応して、二次電流Ｉ２が順次追加される。これにより、二次電流Ｉ２は、維持目標電流値Ｉ２*に一致するように維持される。
時刻ｔ４でエネルギ投入期間信号ＩＧＷがＬレベルに立ち下がると、放電スイッチ信号ＳＷｄのオンオフ動作が停止し、一次電流Ｉ１、二次電流Ｉ２ともにゼロとなる。
【００３３】
このように、時刻ｔ２における放電の後、「一次コイル４１の接地側」から点火コイル４０にエネルギを投入する制御方式を、本明細書において「エネルギ投入制御」という。
一方、周知の多重放電方式のように、一次コイル４１のバッテリ６側にエネルギを投入する方式、或いは二次コイル４２の点火プラグ７と反対側から点火コイル４０にエネルギを投入する方式を包括して「従来の多重放電方式」という。上述した「エネルギ投入制御」は、「従来の多重放電方式」に比べ、低電圧側からエネルギを投入することにより、放電が継続可能な最低限のエネルギを効率良く投入しつつ、放電アークが維持される状態を一定期間持続させることができる。
【００３４】
［第１実施形態の特徴］
ところで、混合気をリーン燃焼する際、エンジンの燃焼サイクル毎のばらつきにより燃焼室１７内で発生するタンブル流が弱くなることがある。この場合、点火プラグ７の放電アークが気流によって伸ばされず、その伸長量が小さくなる。この放電アークの伸長量がエンジンの運転状態に応じて要求される要求量よりも小さいと、希薄混合気に対する着火性が悪化し、失火によりトルク変動率が増大するおそれがある。
【００３５】
図４は、エンジンを同一条件で運転し、数百回の燃焼サイクルにおいて、放電アークの伸長量と混合気の着火時期との関係をプロットした実験結果を示したものである。図４の破線Ｓに示すように、放電アークの伸長量が小さい程、着火時期が遅くなっていることが読み取れる。着火時期が遅いとは、即ち混合気が燃焼しにくい状態にあることを示している。
【００３６】
そこで、本実施形態のエンジン１３の制御装置３２は、点火プラグ７の放電アークの伸長量がエンジンの運転状態に応じて要求される要求量よりも小さいことを検出すると、点火プラグ７の放電の維持期間に燃料噴射弁１６から燃料噴射を行うことを特徴とする。これにより、点火プラグ７の電極近傍に燃料噴霧による可燃層が形成され、その可燃層に着火した火炎核が拡大及び移動することで、燃焼室１７の混合気を燃焼させることが可能である。したがって、気流の弱いサイクルが生じても失火が防がれるので、エンジンのトルク変動率を安定させることができる。
【００３７】
以下、本実施形態の制御装置３２がエンジンシステム１０に対して行う処理について、図５のフローチャートを参照して説明する。なお、図５では、ステップを「Ｓ」と表示している。
また、以下の説明において、制御装置３２は、伸長量算出手段８１、要求量算出手段８２、伸長量判定手段８３、噴射制御手段８４、エネルギ投入期間設定手段８５、回転数検出手段８６、到達判断手段８７、放電時期設定手段８８として機能する（図１参照）。
【００３８】
制御装置３２は、この処理をエンジン１３の運転の開始と共に実行する。
ステップ１０１で処理が開始されると、ステップ１０２で制御装置３２は、アクセルペダル１１の踏み込み量及びクランク角センサ１２からの出力を読み込む。
続いてステップ１０３で制御装置３２は、上記アクセルペダル１１の踏み込み量及びクランク角センサ１２の出力等に基づき、エンジン１３の負荷ＫＬ及び回転数ＮＥを算出する。なお、制御装置３２がエンジン１３の回転数ＮＥを算出するとき、制御装置３２は回転数検出手段８６として機能する。
【００３９】
次にステップ１０４で制御装置３２は、予め記憶された図６に示すマップを参照し、上記の負荷、即ちトルクと及び回転数からエンジン１３の運転領域を設定する。
続いてステップ１０５では、ステップ１０４で設定した運転領域がリーン燃焼領域であるか否かを判定する。運転領域がリーン燃焼領域である場合（ステップ１０５：ＹＥＳ）、処理はステップ１０６に移行する。一方、運転領域が通常燃焼領域である場合（ステップ１０５：ＮＯ）、処理は上述のステップ１０１からステップ１０５を繰り返し実行する。
【００４０】
続いてステップ１０６で制御装置３２は噴射制御手段８４として機能し、予め記憶されたマップ（不図示）を参照し、リーン燃焼用の噴射制御を行う。即ち、制御装置３２は、エンジンの吸気行程で、噴射量をリーン燃焼用に減少した燃料噴射を実行する。
また、制御装置３２は、予め記憶されたマップ（不図示）を参照し、リーン燃焼用の点火制御を行う。即ち、制御装置３２は、各種センサから取得したエンジンの運転情報に基づいて、維持目標電流値Ｉ２*を指示するための目標二次電流信号ＩＧＡを生成し、点火回路ユニット３１に出力する。
【００４１】
ステップ１０７で制御装置３２は要求量算出手段８２として機能し、エンジンの運転状態に応じて要求される放電アークの伸長の要求量を燃焼サイクル毎に算出する。このとき、制御装置３２は、吸気圧センサ３９から入力される吸気圧、吸気温センサ２５から入力される吸気温、水温センサ３７から入力される冷却水の水温、及び図６のマップを参照した設定空燃比に基づき、希薄混合気に着火、燃焼可能な放電アークの伸長の要求量を算出する。
【００４２】
また、制御装置３２はエネルギ投入期間設定手段８５として機能し、エネルギ投入期間信号ＩＧＷを生成し、点火回路ユニット３１に出力する。このとき、制御装置３２は、放電アークの伸長の要求量が大きい程エネルギ投入期間を長く設定し、放電アークの伸長の要求量が小さい程エネルギ投入期間を短く設定する。これは、燃焼室１７のタンブル流の強さが設定された所定の強さであると仮定した場合、点火プラグ７の放電が維持される期間が長い程、時間と共に放電アークが気流によって伸ばされるからである。
ステップ１０８で制御装置３２は、点火信号ＩＧＴ、目標二次電流信号ＩＧＡ、エネルギ投入期間信号ＩＧＷに基づき、点火プラグ７により点火放電を行う。
【００４３】
ステップ１０９で制御装置３２は伸長量算出手段８１として機能し、一次電流検出部４４、一次電圧検出部４４１二次電流検出部４７及び二次電圧検出部４７１の信号に基づき、点火プラグ７から点火放電された放電アークの伸長量を算出する。
図７に示すように、二次電圧は、燃焼サイクル毎にばらつきが生じる。一点鎖線Ａ及び実線Ｂに示す二次電圧は、クランク角の移行と共に変化率が大きいものとなっている。一方、破線Ｃに示す二次電圧はクランク角の移行と共に変化率が小さいものとなっている。点火プラグ７の電極に流れる二次電流を一定とした場合、点火プラグ７の放電アークの伸長量が大きくなる程、放電アークの電路の抵抗が大きくなるので、二次電圧が絶対値として大きくなる。したがって、一点鎖線Ａと実線Ｂに示す燃焼サイクルの放電アークの伸長量が比較的大きく、破線Ｃに示す燃焼サイクルの放電アークの伸長量が比較的小さいことが読み取れる。
このことから、制御装置３２は、所定時間における二次電圧の変化率（微分値）を検出することにより、放電アークの伸長量を短時間で検出可能である。なお、制御装置３２は、所定の閾値と二次電圧とを比較することにより、放電アークの伸長量を検出してもよい。
二次電圧は、二次電流検出部４７の信号のみから検出することが可能である。また、二次電圧は、二次電流検出部４７、一次電流検出部４４及び一次電圧検出部４４１の信号に基づいて算出することも可能である。
【００４４】
ステップ１１０で制御装置３２は伸長量判定手段８３として機能し、ステップ１０９で検出された点火放電による放電アークの伸長量が、ステップ１０７で算出された放電アークの伸長の要求量よりも小さいか否かを判定する。
混合気をリーン燃焼する際、エンジンの燃焼サイクル毎のばらつきにより燃焼室１７内で発生するタンブル流が弱くなると、点火プラグ７の放電アークが気流によって伸ばされず、その伸長量が小さくなる。図４で示したように、放電アークの伸長量が小さい程、着火時期が遅くなり、燃焼しにくい状態となる。
そこで、点火放電による放電アークの伸長量が、その要求量よりも小さい場合（ステップ１１０：ＹＥＳ）、処理はステップ１１１へ移行する。
【００４５】
ステップ１１１で制御装置３２は噴射制御手段８４として機能し、点火プラグ７の放電の維持期間に燃料噴射弁１６から燃料噴射を行う。これにより、点火プラグ７の電極近傍に燃料噴霧による可燃層が形成され、その可燃層に着火した火炎核が拡大及び移動することで、燃焼室１７の混合気が燃焼する。したがって、気流の弱いサイクルであっても混合気の着火性を高めることができる。
一方、ステップ１１０で点火放電による放電アークの伸長量が、その要求量以上である場合（ステップ１１０：ＮＯ）、処理はステップ１１２へ移行し、次の燃焼サイクルで上述のステップ１０１からステップ１１２を繰り返し実行する。
【００４６】
以上説明した本実施形態の制御装置３２が行う処理を、図８のタイムチャートに示す。
図８（Ａ）に示すように、制御装置３２は時刻ｔｘで点火放電による放電アークの伸長量が、その要求量よりも小さいか否かを判定する。
図８（Ｂ）に示すように、制御装置３２は、吸気行程で燃料噴射弁１６から燃料の一次噴射を行った後、時刻ｔｘで点火放電による放電アークの伸長量がその要求量よりも小さいと判定された場合、直ちに、燃料噴射弁１６から燃料の二次噴射を行う。
一方、図８（Ｃ）に示すように、制御装置３２は、吸気行程で燃料噴射弁１６から燃料の一次噴射を行った後、時刻ｔｘで点火放電による放電アークの伸長量がその要求量以上であると判定された場合、圧縮行程で燃料の二次噴射を行うことはない。
これにより、制御装置３２は、気流の弱いサイクルが生じても失火を防ぐことができる。また、制御装置３２は、気流が正常なサイクルでは圧縮行程で二次噴射を行わないので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。
【００４７】
［第１実施形態の作用効果］
第１実施形態のエンジンの制御装置３２は、次の作用効果を奏する。
（１）第１実施形態では、制御装置３２は、点火プラグ７の放電アークの伸長量がエンジンの運転状態に応じて要求される要求量よりも小さいとき、点火プラグ７の放電の維持期間に燃料噴射弁１６から燃料噴射を行う。
これにより、制御装置３２は点火プラグ７の電極近傍に燃料噴霧による可燃層を形成し、燃焼室１７の混合気を燃焼させることが可能である。そのため、気流の弱いサイクルが生じても失火が防がれるので、この制御装置３２は、エンジンのトルク変動率を安定させると共に、ＮＯｘ排出量を低減することができる。
【００４８】
（２）第１実施形態では、制御装置３２は噴射制御手段８４として機能し、放電アークの伸長量が要求量よりも小さいと判断されたときは圧縮行程で燃料噴射弁１６から燃料の二次噴射を行う。一方、制御装置３２は、放電アークの伸長量が要求量以上と判断されたときは二次噴射を行わない。
これにより、制御装置３２は、気流が正常なサイクルでは二次噴射を行わないので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。
【００４９】
（３）第１実施形態では、制御装置３２は伸長量算出手段８１として機能し、二次電圧の所定時間における変化率に基づき、点火プラグ７の放電アークの伸長量を検出する。
これにより、制御装置３２は、放電アークの伸長量を短時間で検出することができる。
【００５０】
（４）第１実施形態では、制御装置３２は要求量算出手段８２として機能し、吸気圧、吸気温、水温及び設定空燃比の少なくともいずれか一つに基づき、放電アークの伸長の要求量を算出する。
これにより、制御装置３２は、希薄混合気に確実に着火することが可能である。
【００５１】
（５）第１実施形態では、制御装置３２はエネルギ投入期間設定手段８５として機能し、放電アークの要求量が大きい程、点火プラグ７の放電を維持する期間を長く設定する。一方、制御装置３２は、放電アークの要求量が小さい程、点火プラグ７の放電を維持する期間を短く設定する。
これにより、制御装置３２は、放電アークの伸長量を調節することが可能である。
【００５２】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図９及び図１０に示す。第２実施形態において上述した第１実施形態と実質的に同一の構成及び処理には同一の符号を付して説明を省略する。
上述した第１実施形態の処理では、例えばエンジンの回転数が高い場合、圧縮行程で燃料噴射弁１６から噴射された燃料噴霧が放電の継続期間内に放電アークに到達しないことが考えられる。
そこで、第２実施形態のエンジン１３の制御装置３２は、圧縮行程で点火プラグ７による一次放電（プレ放電）と二次放電を行い、その一次放電の放電アークの伸長量により圧縮行程で燃料噴射を行うか否かを判定する。これにより、圧縮行程で燃料噴射弁１６から噴射された燃料噴霧は、二次放電の継続期間内にその放電アークに確実に到達する。したがって、エンジンの回転数が高く、気流の弱いサイクルであっても失火が防がれるので、この制御装置３２は、エンジンのトルク変動率を安定させると共に、ＮＯｘ排出量を低減することができる。
【００５３】
以下、第２実施形態の制御装置３２がエンジンシステム１０に対して行う処理について、図９のフローチャートを参照して説明する。
ステップ１０１からステップ１０６は、上述した第１実施形態の処理と同一である。
ステップ１０６の後、ステップ１２０で制御装置３２は到達判断手段８７として機能し、エンジンの回転数が所定の回転数よりも高いか否かを判定する。この所定の回転数は、圧縮行程で燃料噴射弁１６から噴射された燃料噴霧が放電の継続期間内に放電アークに到達可能な回転数として、予め実験又は学習により設定される。
エンジンの回転数が所定の回転数以下の場合、処理はステップ１０７に移行する。ステップ１０７からステップ１１２は、上述した第１実施形態の処理と同一である。
【００５４】
一方、エンジンの回転数が所定の回転数よりも高い場合、処理はステップ１２１に移行する。
ステップ１２１では、要求量算出手段８２として機能し、エンジンの運転状態に応じて要求される放電アークの伸長の要求量を燃焼サイクル毎に算出する。
続いてステップ１２２では、制御装置３２は放電時期設定手段８８として機能し、点火プラグ７の放電時期を設定する。この放電時期は、一次放電と二次放電とが圧縮行程中に設定される。一次放電は、混合気に着火することなく、且つ、点火プラグ７の放電アークの伸長量を検出可能な程度の放電継続期間に設定される。これに対し、二次放電は、混合気に着火可能な程度の放電継続期間に設定される。そして制御装置３２は、まず点火プラグ７による一次放電を実行する。
【００５５】
ステップ１２３では、制御装置３２は伸長量算出手段８１として機能し、点火プラグ７から一次放電された放電アークの伸長量を算出する。
次にステップ１２４で制御装置３２は伸長量判定手段８３として機能し、ステップ１２３で検出された放電アークの伸長量が、ステップ１２１で算出された放電アークの伸長の要求量よりも小さいか否かを判定する。
点火放電による放電アークの伸長量が、その要求量よりも小さい場合（ステップ１２４：ＹＥＳ）、処理はステップ１２５へ移行する。
ステップ１２５で制御装置３２は噴射制御手段８４として機能し、燃料噴射弁１６から燃料噴射を行う。
次にステップ１２４で制御装置３２は放電時期設定手段８８として機能し、点火プラグ７による二次放電を実行する。この二次放電は、ステップ１２５で燃料噴射が行われた直後又は燃料噴射と同時に実行される。これにより、二次放電を行う際、点火プラグ７の電極近傍に燃料噴霧による可燃層が形成される。したがって、気流の弱いサイクルであっても混合気の着火性を高めることができる。
一方、ステップ１２４で点火放電による放電アークの伸長量が、その要求量以上である場合（ステップ１２４：ＮＯ）、処理はステップ１２６へ移行し、圧縮工程噴射を行うことなく、二次放電を実行する。
【００５６】
以上説明した第２実施形態の制御装置３２が行う処理を、図１０のタイムチャートに示す。
図１０（Ａ）に示すように、制御装置３２は時刻ｔａで一次放電を行い、時刻ｔｂで二次放電を行う。
また、制御装置３２は、時刻ｔｘで一次放電による放電アークの伸長量が、その要求量よりも小さいか否かを判定する。なお、一次放電による放電アークの伸長量と二次放電による放電アークの伸長量との相関関係を密にするため、時刻ｔａと時刻ｔｂとの間隔は短いことが好ましい。
【００５７】
図１０（Ｂ）に示すように、制御装置３２は、吸気行程で燃料噴射弁１６から燃料の一次噴射を行った後、時刻ｔｘで一次放電による放電アークの伸長量がその要求量よりも小さいと判定されると、時刻ｔｂ又はその近傍で燃料噴射弁１６から燃料の二次噴射を行う。
一方、図１０（Ｃ）に示すように、制御装置３２は、吸気行程で燃料噴射弁１６から燃料の一次噴射を行った後、時刻ｔｘで点火放電による放電アークの伸長量がその要求量以上であると判定されると、圧縮行程で燃料の二次噴射を行うことはない。
これにより、制御装置３２は、エンジンの回転数が高く、気流の弱いサイクルであっても失火を防ぐことができる。また、制御装置３２は、気流が正常なサイクルでは圧縮行程で二次噴射を行わないので、ＮＯｘの排出量を低減することができる。
【００５８】
［第２実施形態の作用効果］
第２実施形態のエンジンの制御装置３２は、次の作用効果を奏する。
（１）第２実施形態では、制御装置３２は放電時期設定手段８８として機能し、エンジンの圧縮行程で一次放電及び二次放電を行う。そして制御装置３２は、一次放電を行った際の二次電圧の所定時間における変化率に基づき、放電アークの伸長量を検出する。
これにより、制御装置３２は、圧縮行程で燃料の二次噴射を行うか否かを二次放電を行う前に判定することが可能である。そのため、エンジンが回転数が高くなった場合でも、制御装置３２は、燃料噴射弁１６から噴射された噴霧を、点火プラグ７による二次放電の維持期間の終了前に、その放電アークに到達させることができる。
【００５９】
（２）第２実施形態では、一次放電は、混合気に着火することなく、且つ、点火プラグ７の放電アークの伸長量を検出可能な程度の放電継続期間に設定される。これに対し、二次放電は、混合気に着火可能な程度の放電継続期間に設定される。
これにより、放電時期設定手段８８は、一次放電により混合気に着火することなく、二次放電により混合気に着火することで、混合気の燃焼時期を正確に制御することができる。
【００６０】
（３）第２実施形態では、制御装置３２は、エンジンの回転数に基づき、点火プラグ７が通常行う放電の維持期間の終了前に点火プラグ７の放電アークに燃料噴霧が到達しないことを判断したときのみ、点火プラグ７により一次放電を行う。
これにより、エンジンの回転数に応じて必要なときにのみ一次放電を行うので、点火プラグ７の放電に消費されるエネルギを低減することができる。
【００６１】
（その他の実施形態）
（ア）上記実施形態では、エネルギ投入部５０によるエネルギ投入制御により、二次電流Ｉ２を維持目標電流値Ｉ２*に維持するようにした。これに対し、他の実施形態では、従来の多重放電方式や特開２０１２−１６７６６５号公報に開示された「ＤＣＯ方式」等により二次電流Ｉ２を維持目標電流値Ｉ２*に維持してもよい。
【００６２】
（イ）上記実施形態では、エネルギ投入部５０によるエネルギ投入制御は、図３に示したように、点火信号ＩＧＴのＨレベル中に充電スイッチ信号ＳＷｃをオンオフしてコンデンサ電圧Ｖｄｃを蓄積した後、エネルギ投入期間に一次コイル４１の接地側にエネルギを投入した。これに対し、他の実施形態では、例えば、エネルギ投入期間に充電スイッチ信号ＳＷｃと放電スイッチ信号ＳＷｄとを交互にオンオフ制御することにより、充電スイッチ信号ＳＷｃがオンのときにエネルギ蓄積コイル５２が蓄積したエネルギを、その都度一次コイル４１の接地側に投入するようにしてもよい。その場合、コンデンサ５６を備えなくてもよい。
【００６３】
（ウ）上記実施形態では、二次電流検出回路４８は、二次電流検出部４７により検出した二次電流Ｉ２を維持目標電流値Ｉ２*に一致させるようとするフィードバック制御を行った。これに対し、他の実施形態では、例えば、二次電流検出回路４８を備えることなく、二次電流Ｉ２をフィードフォワード制御してもよい。
【００６４】
（エ）他の実施形態では、点火回路ユニット３１は、ＥＣＵを収容するケースに収容するか、あるいは点火コイルを収容するケースに収容してもよい。
（オ）他の実施形態では、点火スイッチ４５及びエネルギ投入部５０は、別々のケースに収容してもよい。例えば、点火コイルを収容するケースに点火スイッチを収容し、また、ＥＣＵを収容するケースにエネルギ投入部を収容してもよい。
【００６５】
（カ）点火スイッチは、ＩＧＢＴに限らず、比較的耐圧の高い他のスイッチング素子で構成してもよい。また、充電スイッチ５３及び放電スイッチ５７は、ＭＯＳＦＥＴに限らず、他のスイッチング素子で構成してもよい。
（キ）直流電源は、バッテリ６に限らず、例えば交流電源をスイッチングレギュレータ等によって安定化した直流安定化電源等で構成してもよい。
【００６６】
（ク）上記実施形態では、エネルギ投入部５０は、ＤＣＤＣコンバータ５１によって、バッテリ６の電圧を昇圧した。これに対し、他の実施形態では、点火装置３０がハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される場合には、主機バッテリの出力電圧をそのまま、或いは降圧して、投入エネルギとして用いてもよい。
【００６７】
（ケ）上記実施形態では、燃焼室１７内にタンブル流を形成可能なエンジンについて説明した。これに対し、他の実施形態では、エンジンは、燃焼室にスワール流等の気流を形成するものであってもよい。
このように、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、上記複数の実施形態を組み合わせることに加え、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００６８】
７    ・・・点火プラグ
１０  ・・・エンジンシステム
１６  ・・・燃料噴射弁
２４  ・・・気流制御弁（気流形成手段）
３２  ・・・制御装置
４４  ・・・一次電流検出部（検出手段）
４４１・・・一次電圧検出部（検出手段）
４７  ・・・二次電流検出部（検出手段）
４７１・・・二次電圧検出部（検出手段）
５０  ・・・エネルギ投入部（エネルギ投入手段）
【図１】
2015200264.tif 000003
【図２】
2015200264.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015200264.tif 000006
【図５】
2015200264.tif 000007
【図６】
2015200264.tif 000008
【図７】
2015200264.tif 000009
【図８】
2015200264.tif 000010
【図９】
2015200264.tif 000011
【図１０】
2015200264.tif 000012