JP2013217290A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマをＰＭ浄化に効率的に利用する。
【解決手段】筒内圧を検出可能な筒内圧検出手段（２１８）と、筒内にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生装置（３００）とを備えた内燃機関（２００）を制御する内燃機関の制御装置（１００）は、前記内燃機関の行程容積及び前記検出された筒内圧から筒内の燃焼温度を推定する燃焼温度推定手段と、予め設定された機関運転条件と混合気の当量比との関係から前記当量比を推定する当量比推定手段と、前記推定された燃焼温度及び当量比並びに予め設定された前記燃焼温度及び当量比とＰＭ排出量との関係からＰＭ排出量を推定する排出量推定手段と、前記推定されたＰＭ排出量に基づいて前記プラズマの発生時期を制御する制御手段とを具備する。
【選択図】図４

Description

本発明は、気筒内部にプラズマを発生させる装置を備えた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置の技術分野に関する。

この種の内燃機関が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたディーゼルエンジンによれば、プラズマを利用して燃焼室に燃料反応を促進させる条件を作り出し、後燃え期間を短縮することによりＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を低減することができるとされている。

また、特許文献２には、着火前に筒内にプラズマを発生させる技術が提案されている。

尚、プラズマの発生手法は、特許文献３にも開示されている。

特開２００１−３１７３６０号公報 特開２００９−０３６２０１号公報 特開２００９−２８７５４９号公報

特許文献１には、プラズマを発生させる時期に関し、燃料噴射開始が検出されたことを放電電極への印加条件とする点が開示されている。

しかしながら、燃料噴射開始をトリガとする場合、実際に燃焼室にプラズマが発生する時期は明確でなく、燃焼反応との相対的関係は成り行きで変化する。即ち、特許文献２に開示されるように燃焼室において燃焼反応が生じる以前にプラズマが発生することもあれば、逆に燃焼反応が生じた以後にプラズマが発生することもある。

ここで、燃焼反応発生以前に燃焼室にプラズマが発生すると、燃焼が活発になり過ぎてＮＯｘの生成量や燃焼騒音が増大する。また、燃焼反応後半でプラズマが発生すると、筒内温度や筒内圧力が低くなり過ぎてプラズマとＰＭとの反応速度が低下し、ＰＭの浄化効率が低下する。特許文献１乃至３に開示されたものを含む旧来の装置には、このような問題を想定したものはなく、結局の所、燃焼室で発生させたプラズマがＰＭの浄化に必ずしも有効に機能しない。

一方、プラズマを発生させるには電力資源が必要であり、とりわけ特許文献１に開示されるようにコロナ放電を使用するものに至っては高電圧が必要となる。従って、電力資源の効率的利用の観点から言えばプラズマの発生期間は短い方が良く、その点からもプラズマの有効利用が求められている。

本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、プラズマをＰＭ浄化に効率的に利用し得る内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る内燃機関の制御装置は、筒内圧を検出可能な筒内圧検出手段と、筒内にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生装置とを備えた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関の行程容積及び前記検出された筒内圧から筒内の燃焼温度を推定する燃焼温度推定手段と、予め設定された機関運転条件と混合気の当量比との関係から前記当量比を推定する当量比推定手段と、前記推定された燃焼温度及び当量比並びに予め設定された前記燃焼温度及び当量比とＰＭ排出量との関係からＰＭ排出量を推定する排出量推定手段と、前記推定されたＰＭ排出量に基づいて前記プラズマの発生時期を制御する制御手段とを具備することを特徴とする（請求項１）。

本発明に係る内燃機関は、燃料の燃焼に伴う熱エネルギを運動エネルギに変換して取り出し可能な機関を包括する概念であるが、好適には更に、燃料を気筒内部に直接噴射する噴射機構を備えた機関である。例えば、このような内燃機関は、圧縮自着火型のディーゼルエンジンや、筒内直噴型のガソリンエンジン等を指す。

本発明に係るプラズマ発生装置は、内燃機関の各気筒に形成される燃焼室においてプラズマを発生させることが可能な装置であり、公知の各種実践的態様の下に構築可能である。プラズマ発生装置は、例えば、電気的に接地された陰極と高電圧印加用の正極とを含む一対の電極と、正極に高電圧を印加する電圧印加装置と、当該印加電圧を制御する制御装置とを含み、電極間にコロナ放電を生じさせることによってプラズマを発生させる装置であってもよい。また、例えば、給電手段としてのアンテナから燃焼室内にマイクロ波帯の電磁波を照射して荷電粒子にエネルギを付与することによりプラズマを発生させる装置であってもよい。尚、プラズマ発生装置は、好適には、気筒毎に独立してプラズマを発生させることが可能である。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、筒内の燃焼温度及び筒内の混合気の当量比と筒内のＰＭ排出量との関係が、例えば実験的に、経験的に又は理論的に、例えば制御上参照し得るマップ等として予め設定されている。従って、排出量推定手段は、この設定された関係からＰＭ排出量を推定することができる。尚、燃焼温度及び当量比との関係性が定義される「ＰＭ排出量」とは、厳密な量概念に留まらず、濃度（単位体積当りの重量や個数）等の規格化された量概念、言い換えれば、内燃機関のその時点の運転条件に応じて適宜厳密な量概念に換算可能な量概念を含み得る。

本発明に係る内燃機関の制御装置では、制御手段が、この推定されたＰＭ排出量に基づいてプラズマの発生時期を制御する構成となっている。尚、「プラズマの発生時期を制御する」とは、プラズマの発生を促すエネルギ資源の供給時期（上記例で言えば、電圧の印加時期又は電磁波の照射時期等）を含む趣旨である。即ち、プラズマの発生が一種の化学的現象であるところ、プラズマの発生時期に厳密な制御性を与えることは必ずしも容易でない。その点から、好適には、プラズマの発生を惹起し得る各種の代替的制御量をもって発生時期が代替的に制御され得る。

ここで、ＰＭは、スート（煤）等を主成分とする粒子状物質であり、筒内燃焼反応における未燃成分である。即ち、本発明に係る内燃機関の制御装置では、プラズマは燃焼反応開始以後に発生するように制御される。従って、燃焼反応以前に混合気が活性化されることによる過早着火、ＮＯｘの増大、燃焼騒音の増大等は生じない。

一方、上記燃焼温度及び当量比は、夫々が再現性をもって特定可能な時間概念に対応付けられる形で推定される。従って、排出量推定手段は、気筒における燃焼行程において刻々と変化し得るＰＭ排出量を時間概念に対応付けて推定することが出来る。尚、内燃機関の制御上、時間概念がクランク角により与えられるのが適当である点に鑑みれば、これらは好適にはクランク角に対応付けて推定される。この際、例えばクランク角センサの検出周期毎にこれらが推定され記憶されてもよいし、適当な推定周期が定められていてもよい。

このため、本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、プラズマを所望のＰＭ排出量に同期させて発生させることができる。例えば、ＰＭ排出量が相対的に多くなる期間や、ＰＭ排出量が一サイクル内で最大となる時期においてプラズマを発生させることができ、ＰＭ排出量が相対的に少ない状況下でプラズマが生成されることによる電力資源の浪費や、ＰＭ排出量が相対的に多い状況下でプラズマが生成されないことによる機会損失等を防止することが出来る。即ち、プラズマをＰＭの浄化に効率的に利用することが可能となるのである。

尚、燃焼温度推定手段は、検出された筒内圧と行程容積から燃焼温度を推定する。行程容積は内燃機関毎にクランク角に応じて定まり得る固有値であるから、筒内圧をクランク角に対応付けて検出すれば、或いは後々クランク角に対応付けることにより、圧縮行程から燃焼行程にかけての断熱変化における燃焼温度は、予め実験的に、経験的に又は理論的に構築された演算式に従って、時間概念に対応付けられた形で推定することが出来る。

また、当量比推定手段は、機関運転条件と当量比との予め定められた関係から混合気の当量比を推定する。当量比は、燃焼室において混合気が均質であれば、理論空燃比、即ち燃料と空気との化学量論的な重量比率と実際の空燃比から求め得る。一方、燃料が筒内に直接噴射される本発明に係る内燃機関の構成では、燃料噴霧と空気が偏りを持って混合する。ここで、燃料噴霧は噴孔から噴射された直後から雰囲気を取り込みつつ拡散するため、当量比を正確に得るために、燃焼室における燃料噴霧の形状或いは挙動を推定する計算モデルが好適に利用される。上記予め定められた関係とは、このような計算モデルを好適に含むものであり、機関運転条件とは、例えば、機関回転数、筒内噴射燃料量、筒内吸入空気量、燃料密度、燃料噴射圧、噴孔径等を含み得る。

本発明に係る内燃機関の制御装置の一の態様では、前記燃焼温度推定手段は、クランク角に対応付けて前記燃焼温度を推定し、前記当量比推定手段は、クランク角に対応付けて前記当量比を推定する（請求項２）。

上述したように、燃焼温度及び当量比をクランク角に対応付けて推定することが出来れば、必然的にＰＭ排出量をクランク角に対応付けて推定することができ、プラズマをより効率的且つ効果的に発生させ得るので実践上有益である。尚、燃焼温度及び当量比とクランク角との対応付けに係る実践的態様は多義的である。例えば、燃焼温度及び当量比は、夫々クランク角と一対一、一対多、多対一又は多対多に対応付けられてよい。

本発明に係る内燃機関の制御装置の他の態様では、前記推定されたＰＭ排出量が最大となる時期又は期間を判定する判定手段を更に具備し、前記制御手段は、前記判定された時期又は期間においてプラズマを発生させる（請求項３）。

この態様によれば、判定手段により、推定されたＰＭ排出量が最大となる時期又は期間が判定される。尚、時期又は期間は、夫々クランク角又はクランク角の範囲と置き換えられてもよい。この時期又は期間においてプラズマを発生させれば、プラズマによる高いＰＭ浄化効率を獲得することができるため好適である。

尚、本態様における「最大」の定義は一義的でなく、「ＰＭ排出量が最大となる」とは、例えば、一気筒の一燃焼行程において最大となること、一気筒の一燃焼行程においてＰＭ排出量が増加傾向から減少傾向に転じること、ＰＭ排出量が予め設定される閾値を超えること、過去の燃焼行程において最大値であること等を含み得る。

尚、この態様では、前記制御手段は、前記判定された時期又は期間の先回値に基づいて前記プラズマを発生させてもよい（請求項４）。

この態様によれば、ＰＭ排出量が最大となる時期又は期間の先回値に基づいてプラズマの発生時期が制御される。このため、一燃焼行程におけるＰＭ排出量の推定とプラズマの制御とを独立して行うことが出来、制御手段が所謂ビジー状態に陥る懸念が少ない。また、ＰＭ排出量が一燃焼行程で最大となる時期又は期間は、厳密には当該燃焼行程が終了するまで確定しないから、ＰＭ排出量のリアルタイムな推定結果をプラズマの発生時期にリアルタイムに反映する場合、ＰＭ排出量が一燃焼行程で最大となる時期又は期間にプラズマを発生させることは困難である。

その点、本態様ではＰＭ排出量の先回値が利用される。従って、ＰＭ排出量が少なくとも過去において最大となった時期又は期間にプラズマを発生させることができ、プラズマの発生時期に合理性と妥当性とを与えることが出来る。また、先回値とは概念的には過去の値を意味するが、現実的には、前回値又は制御上無理なく参照可能な直近の過去の値を意味する。従って、先回値を利用しても、実践的には、プラズマの発生時期がリアルタイムに進行する最新の燃焼行程においてＰＭ排出量が最大となる時期から大きく逸脱することはない。従って、安定したＰＭ浄化効率は担保される。

本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムの構成を概念的に表してなるブロック図である。 図１のエンジンシステムにおけるエンジンの概略断面図である。 図２のエンジンにおける燃焼室周辺の概略断面図である。 図１のエンジンシステムにおいてＥＣＵにより実行されるプラズマ点火制御のフローチャートである。 図４の制御において推定される筒内圧及び燃焼温度の一時間推移を例示する図である。 本発明の第２実施形態に係るプラズマ点火制御のフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るエンジンシステムの構成を概念的に表してなるブロック図である。 図７のエンジンシステムにおけるエンジンの燃焼室周辺の概略断面図である。 図７のエンジンシステムにおいてＥＣＵにより実行されるプラズマ点火制御のフローチャートである。 図９の制御の効果を例示する燃焼室周辺の概略断面図である。

＜発明の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の各種実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
＜実施形態の構成＞
始めに、図１を参照し、本発明の第１実施形態に係るエンジンシステム１０の構成について説明する。ここに、図１は、エンジンシステム１０の構成を概念的に表してなるブロック図である。

図１において、エンジンシステム１０は、図示せぬ車両に搭載され、ＥＣＵ１００、エンジン２００及びプラズマ発生装置３００を備える。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ等を備え、エンジンシステム１０の動作を制御可能に構成された電子制御ユニットであり、本発明に係る「内燃機関の制御装置」の一例である。ＥＣＵ１００は、ＲＯＭに格納された制御プログラムに従って、後述するプラズマ点火制御を実行可能に構成されている。尚、ＥＣＵ１００は、本発明に係る「燃焼温度推定手段」、「当量比推定手段」、「排出量推定手段」、「制御手段」及び「判定手段」の夫々一例として機能し得る一体の電子制御ユニットであるが、本発明に係るこれら各手段の物理的、機械的及び電気的な構成はこれに限定されるものではなく、これら各手段は、例えば複数のＥＣＵ、各種処理ユニット、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等として構成されていてもよい。

エンジン２００は、本発明に係る「内燃機関」の一例たるディーゼルエンジンである。ここで、図２を参照し、エンジン２００の詳細な構成について説明する。ここに、図２は、エンジン２００の概略断面図である。

エンジン２００は、シリンダブロック２０１に収容された複数の気筒２０２の内部において、直噴インジェクタ２１２から噴射された燃料（ここでは、軽油）と吸入空気との混合気を圧縮自着火させると共に、その燃焼に伴うピストン２０３の往復運動を、コネクティングロッド２０４を介してクランク軸２０５の回転運動に変換可能に構成された圧縮自着火型内燃機関である。尚、気筒２０２は、紙面と垂直な方向に配列しており、エンジン２００は直列多気筒エンジンとなっている。

クランク軸２０５近傍には、クランク軸２０５の回転角であるクランク角θｃｒｋを検出可能なクランク角センサ２０６が設置されている。このクランク角センサ２０６は、ＥＣＵ１００と電気的に接続されており、検出されたクランク角θｃｒｋは、一定又は不定の周期でＥＣＵ１００に参照される構成となっている。

エンジン２００において、外部から吸入された空気は、吸気管２０７に導かれる。吸気管２０７に連通する、シリンダヘッドＣＨに形成された吸気ポート２０９の上流側には、吸気ポート２０９に導かれる新気の量（新気量）を調節するＳＣＶ（Swirl Control Valve）２０８が配設されている。このＳＣＶ２０８は、ＥＣＵ１００と電気的に接続された不図示のアクチュエータによってその駆動状態が制御される構成となっている。

ここで、吸気ポート２０９は、ＳＣＶ２０８を通過した新気が気筒２０２内に吸入された時に当該吸気の旋回流（以下、適宜「スワール流」と表現する）が形成されるように、紙面奥行き方向に湾曲している。ＳＣＶ２０８は、その弁開度（ＳＣＶ開度）に応じて、このスワール流の流速Ｖｓｗを変化させることが出来る。尚、このスワール流は、概ね紙面左右方向に沿った断面に沿って形成される。別言すれば、このスワール流は、略円筒状の気筒２０２の湾曲した内壁に沿って形成される。ＥＣＵ１００は、スワール流の角速度と、クランク軸２０５の角速度との比であるスワール比ＳＲを、ＳＣＶ開度、吸入空気量Ｇａ及び機関回転数ＮＥから公知の手法に従って適宜算出することができる。

気筒２０２と吸気ポート２０９とは、吸気バルブ２１０の開閉によってその連通状態が制御されており、上述した吸気は、この吸気バルブ２１０の開弁時に気筒２０２内に吸入される。尚、この吸気バルブ２１０は、クランク軸２０５に不図示のスプロケット等を介して連結された吸気カム軸に取り付けられた、断面視楕円形状を有する吸気カム２１１のカムプロファイルに従って開閉駆動される構成となっている。

気筒２０２内には、直噴インジェクタ２１２の燃料噴射弁が露出しており、直噴インジェクタ２１２から噴射された燃料噴霧は、この気筒２０２内において、吸気ポート２０９を介して吸入された新気と混合され上述した混合気となる。気筒２０２で燃焼した混合気は排気となり、吸気バルブ２１０の開閉に連動して開閉する排気バルブ２１３の開弁時に排気ポート２１４を介して排気管２１５に導かれる。尚、排気管２１５には、図示せぬＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）が設置されており、排気中に含まれるＰＭは、このＤＰＦに一時的に捕捉された後、然るべき再生タイミングで浄化される。尚、ＤＰＦにおけるＰＭの浄化方法は特に限定されない。例えば、ポスト噴射による後燃えの促進によりＤＰＦを昇温させ、捕捉したＰＭを酸化燃焼させてもよい。

気筒２０２を収容するシリンダブロック２０１を取り囲むように張り巡らされたウォータジャケットには、エンジン２００を冷却するために循環供給される冷却水（ＬＬＣ）に係る冷却水温Ｔｗを検出するための冷却水温センサ２１６が配設されている。更に、ピストン２０３がＴＤＣ（Top Death Center：上死点）に位置する状態でピストン２０３の上面部分と気筒２０２の内壁部分とにより規定される空間である燃焼室には、気筒２０２内部の圧力である筒内圧Ｐｃｙｌを検出可能な筒内圧センサ２１７のセンサ端子が露出している。更に、吸気管２０７には、吸入空気の圧力である吸気圧Ｐｉｎを検出可能な吸気圧センサ２１８と、吸入空気量Ｇａを検出可能なエアフローメータ２１９とが設置される。

これら各センサは、ＥＣＵ１００と電気的に接続されており、検出された冷却水温Ｔｗ、筒内圧力Ｐｃｙ、吸気圧Ｐｉｎ及び吸入空気量Ｇａは、夫々ＥＣＵ１００により、夫々一定又は不定の周期で参照される構成となっている。

ここで、直噴インジェクタ２１２について補足する。直噴インジェクタ２１２は、不図示の高圧燃料供給装置の一部であり、高温高圧の燃焼室に燃料を燃料噴霧として噴射可能に構成されている。この高圧燃料供給装置は、燃料を貯蔵する燃料タンク、燃料タンクから燃料を汲み上げフィード圧Ｐｆｄの低圧燃料として供給する低圧ポンプ、供給される低圧燃料を昇圧する高圧ポンプ及びコモンレール等を含む公知の燃料供給系である。

コモンレールは、高圧ポンプから供給された高圧燃料を蓄積し、気筒毎に備わる直噴インジェクタ２１２に安定供給するための燃料バッファである。コモンレールに貯留された高圧燃料の圧力であるレール圧Ｐｃｒ（Ｐｃｒ＞Ｐｆｄ）は、レール圧センサにより検出される。レール圧センサは、ＥＣＵ１００と電気的に接続されており、検出されたレール圧Ｐｃｒは、ＥＣＵ１００により一定又は不定の周期で参照される構成となっている。尚、ＥＣＵ１００は、高圧ポンプに備わる電磁調量弁の駆動制御により高圧ポンプの駆動負荷を制御することにより、レール圧Ｐｃｒを所望の目標圧に維持することが出来る。各直噴インジェクタ２１２は、コモンレールに連結されている。

直噴インジェクタ２１２の燃料噴射弁は、先述したように各気筒２０２の燃焼室に露出している。直噴インジェクタ２１２は、燃料噴射弁の開弁期間及びレール圧Ｐｃｒにより定まる量の燃料を、噴霧として気筒２０２の内部に噴射可能に構成されている。尚、直噴インジェクタ２１２は、所謂多孔式の噴射装置であり、燃料噴射弁における燃料噴射用の噴孔は、周状に形成された気筒２０２の内壁（側壁）に沿って周状に複数形成されている。

直噴インジェクタ２１２の構成について補足すると、直噴インジェクタ２１２は、ＥＣＵ１００から供給される指令に基づいて作動する電磁弁と、この電磁弁への通電時に燃料を噴射するノズル（いずれも不図示）とを備える。当該電磁弁は、コモンレールに蓄積された高圧燃料が印加される圧力室と、当該圧力室に接続された低圧側の低圧通路との間の連通状態を制御可能に構成されており、通電時に当該圧力室と低圧通路とを連通させると共に、通電停止時に当該圧力室と低圧通路とを相互に遮断する構成となっている。

一方、ノズルは、噴孔を開閉するニードルを内蔵し、圧力室の燃料圧力がニードルを閉弁方向（噴孔を閉じる方向）に付勢している。従って、電磁弁への通電により圧力室と低圧通路とが連通し、圧力室の燃料圧力が低下すると、ニードルがノズル内を上昇して開弁する（噴孔を開く）ことにより、コモンレールより供給された高圧燃料が噴孔より噴射される。また、電磁弁への通電停止により加圧室と低圧通路とが相互に遮断されて圧力室の燃料圧力が上昇すると、ニードルがノズル内を下降して閉弁することにより、噴射が終了する構成となっている。本実施形態において、一サイクルにおける燃料は、燃焼を安定させるためのパイロット噴射と、残余の燃料を噴射するメイン噴射とに分割して噴射される。

図１に戻り、プラズマ発生装置３００は、エンジン２００の燃焼室にプラズマを発生させることが可能な、本発明に係る「プラズマ発生装置」の一例である。プラズマ発生装置３００は、高周波電源３１０、伝送路３２０及びアンテナ３３０を備える。

高周波電源３１０は、伝送路３２０にマイクロ波帯（例えば、２．４５ＧＨｚ帯）の高周波信号を印加可能な電源である。

伝送路３２０は、マイクロ波帯の伝送損失が十分に低減された高周波同軸ケーブルである。伝送路３２０は、シリンダヘッドＣＨを貫通する貫通孔に挿入されている。

アンテナ３３０は、伝送路３２０と電気的に接続された、燃焼室内に放電端が露出した放電手段である。アンテナ３３０は、伝送路３２０から供給されるマイクロ波帯の高周波信号に共振し、燃焼室内に電磁波を放射することによって高周波電界を形成可能に構成されている。

尚、本実施形態に係るプラズマ発生装置３００は、アンテナ３３０により形成される電界により酸性化ガス雰囲気中の荷電粒子にエネルギを付与することによってプラズマを形成する態様を有するが、本発明に係るプラズマ発生装置の採り得る態様はこれに限定されない。例えば、燃焼室内に正極及び陰極からなる一対の電極を設置し、陰極を電気的に接地（例えば、シリンダヘッドと電気的に接続）した上で正極に高電圧を印加することにより電極間にコロナ放電を生じさせプラズマを形成する態様を有していてもよい。

ここで、図３を参照し、エンジン２００の気筒２０２における燃焼室周辺の様子について説明する。ここに、図３は、燃焼室周辺部分の概略断面図である。尚、同図において、図１及び図２と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。

図３において、ピストン２０３の上面部分とシリンダヘッドＣＨの下面部分とに挟まれた気筒２０２の燃焼室の一部が表される。直噴インジェクタ２１２の燃料噴射弁は、概ね燃焼室の中央部に露出（図では燃焼室の片側半分が表されるため、燃料噴射弁が右端に表されている）している。この直噴インジェクタ２１２の燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧は、図示鎖線表示された燃料噴霧線に沿って噴射される。

一方、ピストン２０３の上面部分は、断面視ω状に湾曲している。吸気ポート２０９を経由して筒内に吸入された新気は、この湾曲した上面部分に沿って図示破矢線の方向へ進行し、進行する過程において燃料噴霧と混合される。

＜実施形態の動作＞
本実施形態に係るエンジンシステム１０では、ＥＣＵ１００により実行されるプラズマ点火制御により燃焼室内に適宜プラズマが形成される。このプラズマにより一種の未燃成分であるＰＭの浄化反応が促進される。

ここで、図４を参照し、プラズマ点火制御の詳細について説明する。ここに、図４は、プラズマ点火制御のフローチャートである。尚、プラズマ点火制御は、エンジン２００の稼動期間において所定周期で繰り返し実行される制御である。

図４において、ＥＣＵ１００は、現在の状況がプラズマ発生条件に該当するか否かを判定する（ステップＳ１１０）。

本実施形態に係るプラズマ発生条件とは、プラズマによるＰＭ浄化促進が必要とされる条件を意味する。プラズマを発生させるためには、電力資源である高周波電源３１０を稼動させる必要がある。従って、電力資源の消費節減の観点に立てば、プラズマは、エンジン２００が通常有するＰＭ浄化機能を補足するために利用されるのが望ましい。プラズマ発生条件は、係る観点から事前に設定される条件である。プラズマ発生条件は、予め設定され、ＲＯＭに制御情報として格納されている。現在の状況がプラズマ発生条件に該当しない場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は、プラズマ点火制御を終了する。

尚、プラズマ発生条件は、本質的にはどのような条件であってもよいが、例えば、ＤＰＦのＰＭ捕捉量に対応付けられていてもよい。例えば、プラズマによるＰＭの浄化は、ＤＰＦのＰＭ捕捉量が所定範囲に維持されるようにＰＭ排出量を制御する必要がある場合に実行されてもよい。或いは、高回転高負荷時等、ＰＭ排出量が相対的に大きくなり易い運転条件において実行されてもよい。

現在の状況がプラズマ発生条件に該当する場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、処理は二系統に分岐する。即ち、ステップＳ１２０乃至ステップＳ１８０で構成される第１の処理系統と、ステップＳ１９０乃至ステップＳ２１０から構成される第２の処理系統である。

第１の処理系統において、ＥＣＵ１００は先ず機関運転条件を取得する（ステップＳ１２０）。本実施形態では、機関運転条件として、機関回転数ＮＥ、筒内吸入空気量Ｇａｃｙｌ及び筒内燃料噴射量Ｑｃｙｌが取得される。機関回転数ＮＥはクランク角θｃｒｋを時間微分することにより得られる。筒内吸入空気量Ｇａｃｙｌは、吸気管２０７に設置されたエアフローメータ（図２では不図示）により検出される機関全体の吸入空気量Ｇａから得られる。また、筒内燃料噴射量Ｑｃｙｌは、直噴インジェクタ２１２の制御量として既知である。

これら機関運転条件が取得されると、ＥＣＵ１００は、筒内圧Ｐｃｙｌを取得する（ステップＳ１３０）。尚、筒内圧Ｐｃｙｌは、クランク角θｃｒｋに対応付けて取得される。

次に、ＥＣＵ１００は、この取得された筒内圧Ｐｃｙｌと、クランク角θｃｒｋにより一義的に定まる行程容積Ｖｃｙｌとに基づいて燃焼温度Ｔｃｏｍを取得する（ステップＳ１４０）。燃焼温度Ｔｃｏｍは、下記（１）式に従って算出される。

Ｔｃｏｍ＝（Ｐｃｙｌ＊Ｖｃｙｌ）／（Ｗｇ＊Ｒｇ）・・・（１）
尚、上記（１）式においてＷｇはガス重量（ｋｇ）であり、Ｒｇはガス定数（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）である。また、ガス重量Ｗｇは、筒内吸入空気量Ｇａｃｙｌと筒内燃料噴射量Ｑｃｙｌとの総和である。

ここで、図５を参照し、筒内圧Ｐｃｙｌ及び燃焼温度Ｔｃｏｍの時間推移について説明する。ここに、図５は、プラズマ点火制御において推定される筒内圧Ｐｃｙｌ及び燃焼温度Ｔｃｏｍの一時間推移を例示する図である。

図５において、上段の図５（ａ）が筒内圧Ｐｃｙｌの時間推移であり、下段の図５（ｂ）が燃焼温度Ｔｃｏｍの時間推移である。尚、時間軸はＴＤＣ後クランク角で示されており、夫々圧縮ＴＤＣ（即ち、０）を挟む前後４０度の範囲が例示されている。

図示するように、筒内圧Ｐｃｙｌは、圧縮行程において徐々に上昇し、概ね圧縮ＴＤＣから若干進角側の位置で最大となる。燃焼温度Ｔｃｏｍも筒内圧Ｐｃｙｌに準じた波形となり、筒内圧Ｐｃｙｌが最大となる位置で概ね最大となる。

次に、ＥＣＵ１００は、予め設定された噴霧モデルに基づいて、筒内混合気の当量比φを算出する（ステップＳ１５０）。噴霧モデルは、予め理論的に構築された、筒内における燃料噴霧の挙動を解析するための計算モデルであり、ＲＯＭに格納されている。尚、この種の計算モデルは各種公知のものを適用可能である。

例えば、ＥＣＵ１００は、下記（２）乃至（５）式に従って混合気の当量比φを算出する。これら各式は、噴霧モデルを数式化した一例であり、（２）式はペネトレーション（噴霧到達距離）Ｌｓｐを求める式、（３）式は噴射角θを求める式、（４）式は噴霧体積Ｖｓｐを求める式、（５）は当量比φを求める式となっている。

Ｌｓｐ＝０．３９＊（２＊ΔＰ／ρ_ｆ）^０．５＊ｔ・・・（２）
Ｌｓｐ＝２．９＊（ΔＰ／ρ_ａ）^０．２５＊（ｄ＊ｔ）^０．５・・・（２）
上記（２）式において、上側の式は燃料噴射時期からの経過時間ｔが（０≦ｔ≦ｔｂ）を満たす場合に適用され、下側の式は同じく経過時間ｔが（ｔ＞ｔｂ）を満たす場合に適用される。ｔｂは事前に設定された閾値である。また、ΔＰは、燃料噴霧と雰囲気（新気）との圧力差であり、ρ_ａは空気密度、ρ_ｆは燃料密度である。また、ｄは、直噴インジェクタ２１２の燃料噴射弁における噴孔径である。

θ＝０．０５＊（ρ_ａ＊ΔＰ＊ｄ^２／μ_ａ ^２）^０．２５・・・（３）
上記（３）式においてμ_ａは、雰囲気（新気）の粘性係数である。

Ｖｓｐ＝１／３＊π＊ｔａｎ^２θ＊Ｌｓｐ^３・・・（４）
φ＝Ｍ／Ｖｓｐ・・・（５）
上記（５）式において、Ｍは、筒内燃料噴射量Ｑｃｙｌに対する化学量論比相当の新気体積である。即ち、燃料噴霧は時間経過に従って燃焼室内に徐々に拡散し、その拡散の過程において燃焼室に取り込まれた新気と混合される。経過時間が短い程、噴霧体積Ｖｓｐが噴射燃料に対する化学量論相当値よりも小さくなるため燃料噴霧の当量比（混合気の当量比）φは大きく、即ち燃料リッチとなる。

尚、このような噴霧モデルは、公知の各種シミュレーションモデル或いは計算モデルの一例に過ぎず、筒内圧Ｐｃｙｌから燃焼温度Ｔｃｏｍを導出する計算式と同様、当量比φを求める手法については各種の態様を適用可能である。算出された当量比φと、ステップＳ１４０で取得された燃焼温度Ｔｃｏｍとは、夫々クランク角に対応付けられてＲＡＭに記憶される。

当量比φを算出すると、ＥＣＵ１００は、筒内のＰＭ排出量を算出する（ステップＳ１６０）。ＰＭ排出量は、予めＲＯＭに格納されたＰＭ排出量マップを参照することによって算出される。ＰＭ排出量マップは、予め実験的に、経験的に又は理論的に、当量比φ及び燃焼温度ＴｃｏｍとＰＭ排出量とを対応付けてなる制御マップである。ＥＣＵ１００は、当量比φ及び燃焼温度Ｔｃｏｍに対応するクランク角毎に、このＰＭ排出量マップからＰＭ排出量を取得する。取得されたＰＭ排出量は、ＲＡＭに一時的に記憶される。

次に、ＥＣＵ１００は、一燃焼行程におけるＰＭ排出量の最大値が検出されたか否かを判定する（ステップＳ１７０）。ＰＭ排出量の最大値が検出されない場合（ステップＳ１７０：ＮＯ）、即ち、燃焼行程が圧縮行程から燃焼行程にかけての過渡期において、推定されたＰＭ排出量が増大傾向にある場合には、処理はステップＳ１２０に戻される。即ち、ＰＭ排出量の最大値が検出されるまで、ステップＳ１２０からステップＳ１６０にかけての処理が繰り返される。

ＰＭ排出量の最大値が検出されると（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、当該最大値に対応するクランク角を次回のプラズマ点火時期として設定する（ステップＳ１８０）。

次回の燃焼行程におけるプラズマ点火時期が設定されると、第１の処理系統は終了する。尚、先に述べたように、プラズマ点火制御は繰り返し実行される制御であるから、一の制御ルーチンにおいて第１及び第２の処理系統が終了すると、再び処理はステップＳ１１０から繰り返される。

尚、ここでは、ＰＭ排出量の最大値に対応するクランク角が次回のプラズマ点火時期とされたが、この最大値近傍にＰＭ排出量が所定以上となる領域が広がっている場合等には、このＰＭ排出量が所定以上となるクランク角の範囲が、次回の燃焼行程におけるプラズマ点火期間として設定されてもよい。

次に、第２の処理系統について説明する。第２の処理系統が開始されると、ＥＣＵ１００は、現時点のクランク角θｃｒｋが、前回の制御ルーチンにおけるステップＳ１８０において設定されたプラズマ点火時期に該当するか否かを判定する（ステップＳ１９０）。設定されたプラズマ点火時期に該当しない場合（ステップＳ１９０：ＮＯ）、処理は待機状態とされる。

一方、設定されたプラズマ点火時期に該当する場合（ステップＳ１９０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、高周波電源３１０を制御して、伝送路３２０を介してアンテナ３３０からマイクロ波帯の電磁波を放射し、燃焼室内にプラズマを発生させる（ステップＳ２００）。

プラズマを発生させると、ＥＣＵ１００は、第１の処理系統において次回のプラズマ点火時期の設定が終了しているか否かを判定し（ステップＳ２１０）、次回のプラズマ点火時期の設定が終了していない間は（ステップＳ２１０：ＮＯ）、処理を待機状態とする。次回のプラズマ点火時期の設定が終了した場合（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、第２の処理系統を終了する。

尚、通常、第１の処理系統におけるＰＭ排出量の最大値判定は、第２の処理系統におけるプラズマ点火制御以後も継続している。ＰＭ排出量が最大であるか否かは、厳密には燃焼行程が終了するまで確定しないからである。従って、第１の処理系統が終了すると、第２の処理系統のステップＳ２１０も「ＹＥＳ」側に分岐して、両者は略同時に終了する。

以上説明したように、本実施形態に係るプラズマ点火制御によれば、前回の制御ルーチンにおいて決定された、ＰＭ排出量が最大となるクランク角又はＰＭ排出量が所定以上となるクランク角範囲が、次回の燃焼行程におけるプラズマ点火時期として、燃焼室にプラズマを発生させることが出来る。エンジン２００の燃焼状態が一サイクルで大きく変化することは殆どないから、このように前回の最大値相当のクランク角においてプラズマを点火させた場合には、効率的なＰＭ浄化を期待することが出来る、以って電力資源を可及的に節減しつつ、十分なＰＭ浄化効果を得ることが可能となる。また、このようにＰＭ排出量を推定してプラズマ点火制御に活用する旨の技術思想によれば、ＰＭの浄化が必要とされる時期にプラズマを発生させることが出来るから、過早着火、燃焼騒音の増大又はＮＯｘ排出量の増加等を防止しつつプラズマを確実にＰＭ浄化に活用し得る点において、このようにＰＭ排出量の最大値に対応付けられずとも十分に効果的である。

＜第２実施形態＞
次に、図６を参照し、本発明の第２実施形態に係るＰＭ浄化制御について説明する。ここに、図６は、第２実施形態に係るＰＭ浄化制御のフローチャートである。尚、同図において、図４と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。

図６において、ＰＭ排出量を推定すると（ステップＳ１６０）、ＥＣＵ１００は、ＰＭ排出量が増加傾向から減少傾向に転じたか否かを判定する（ステップＳ１７１）。ＰＭ排出量が変化しない、或いは増加傾向にある場合（ステップＳ１７１：ＮＯ）、ＥＣＵ１００は処理をステップＳ１２０に戻し、一連の処理を繰り返す。ＰＭ排出量が増加傾向から減少傾向に転じたことが検出されると（ステップＳ１７１：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は燃焼室にプラズマを発生させ（ステップＳ２００）、プラズマ点火制御を終了する。

このように、第２実施形態では第１実施形態と異なり、ＰＭ排出量のリアルタイムな推定値がプラズマ点火時期の制御に利用される。従って、現時点の燃焼行程におけるリアルタイムなＰＭ排出量に基づいた効果的なＰＭ浄化を実現することができる。

尚、ＰＭ排出量が増加傾向から減少傾向に転じたことを制御上のトリガとすることの有効性は、ＰＭ排出量マップに規定される、燃焼温度Ｔｃｏｍ及び当量比φとＰＭ排出量との関係により裏付けられる。

即ち、圧縮行程から燃焼行程にかけての期間においては、燃料噴霧の拡散が進行する過程で徐々に当量比が減少する一方で、燃焼温度は上昇する。このような定性的傾向を、ＰＭ排出量に対応付けると、当量比φと燃焼温度Ｔｃｏｍとにより規定される座標上の点が描く軌跡は、ＰＭ排出量が小さい領域から多い領域を通過して再び小さい領域に戻る。従って、ＰＭ排出量の最大値は、ＰＭ排出量が増加傾向から減少傾向に転じた時期と殆ど一致するのである。

＜第３実施形態＞
次に、上記第１及び第２実施形態と異なるプラズマ発生装置を備えた本発明の第３実施形態について説明する。

始めに、図７を参照し、第３実施形態に係るエンジンシステム１１の構成について説明する。ここに、図７は、エンジンシステム１１の構成を概念的に表してなるブロック図である。尚、同図において図１と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。

図７において、エンジンシステム１１は、プラズマ発生装置３００に替えてプラズマ発生装置３０１を備える点において、第１及び第２実施形態に係るエンジンシステム１０と異なっている。プラズマ発生装置３０１は、アンテナ３３１及びアンテナ駆動部３４０を備えており、燃焼室内におけるアンテナ３３１の三次元的位置が可変である点においてプラズマ発生装置３００と異なっている。

ここで、図８を参照し、プラズマ発生装置３０１についてより具体的に説明する。ここに、図８は、燃焼室周辺の概略断面図である。尚、同図において、図３と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。

図８において、アンテナ３３１は、シリンダヘッドＣＨの埋設されたアンテナ駆動部３４０に、その一端部を伸長可能且つ回動可能に支持される（破矢線参照）。即ち、アンテナ３３１は、シリンダヘッドＣＨにおけるアンテナ駆動部３４０の埋設位置を基点として、燃焼室内で自由にその放電端の位置を変化させることが出来る。アンテナ駆動部３４０は、例えばサーボモータ等の電気駆動型アクチュエータであり、燃焼室におけるアンテナ３３１の位置は、迅速且つ正確に制御可能である。

このようなアンテナ位置が可変であるプラズマ発生装置３０１を備える場合、プラズマ点火制御をより精細化することができる。そのような趣旨に基づいた、第３実施形態に係るプラズマ点火制御について、図９を参照して説明する。ここに、図９は、プラズマ点火制御のフローチャートである。尚、同図において、図４と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。

図９において、プラズマ発生条件が満たされると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、処理は上述したように、第１の処理系統及び第２の処理系統に分岐する。

第１の処理系統において、ＥＣＵ１００は先ず機関運転条件を取得する（ステップＳ１２１）。ここで、ステップＳ１２１においては、第１及び第２実施形態に係る機関運転条件（ＮＥ、Ｑｃｙｌ、Ｇａｃｙｌ）に加えて、更に筒内パイロット噴射量Ｑｐｃｙｌ、燃料噴射圧Ｐｉｎｊ及びスワール比ＳＲが取得される。筒内パイロット噴射量Ｑｐｃｙｌは、直噴インジェクタ２１２の制御上必要な情報としてＥＣＵ１００が絶えず把握しており、燃料噴射圧Ｐｉｎｊとしては、先述したコモンレールのレール圧Ｐｃｒが使用される。スワール比ＳＲは先述したようにＥＣＵ１００が適宜算出可能である。

これらの機関運転条件は、空間噴霧モデルによる燃料噴霧の三次元位置推定に利用される。即ち、ステップＳ１３０及びＳ１４０が実行された後、ＥＣＵ１００は、燃料噴霧の局所リッチ部を判定する（ステップＳ１４１）。局所リッチ部を判定するとは、燃料噴霧と新気の混合気において燃料が局所的にリッチとなる部分（局所リッチ部）の燃焼室における三次元的な位置を確定することを意味する。

局所リッチ部の判定には、先に述べた噴霧モデルをベースにした空間噴霧モデルが使用される。空間噴霧モデルは、噴霧モデルと同様予め実験的に、経験的に又は理論的に策定された計算モデルであり、燃焼室に形成されるスワール流及びパイロット噴射の影響が考慮されている。係る空間噴霧モデルに係る演算式も、噴霧モデルと同様に予めＲＯＭに格納される。空間噴霧モデルの詳細については公知の手法を適用可能であるためここでは詳細を論じない。ステップＳ１４１では、先述した燃料噴射圧Ｐｉｎｊ、パイロット噴射量Ｑｐｃｙｌ及びスワール比ＳＲが参照され、局所リッチ部の大略的な三次元位置が推定される。尚、大略的とは、アンテナ部３３１の位置精度を超えない程度の精度であること意味する。

局所リッチ部が判定されると、当量比φの推定（ステップＳ１５０）及びＰＭ排出量の推定（ステップＳ１６０）を経て、ＰＭ排出量の最大値が検出されたか否かが判定される（ステップＳ１７０）。未だＰＭ排出量の最大値が検出されない場合（ステップＳ１７０：ＮＯ）、処理はステップＳ１２１に戻される。ＰＭ排出量の最大値が検出された場合（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、次回のプラズマ点火時期に加え、次回のプラズマ点火時期におけるアンテナ３３１の制御位置を設定する（ステップＳ１８１）。アンテナ３３１の制御位置は、ＰＭ排出量が最大値となるクランク角又はクランク角範囲における局所リッチ部の位置（即ち、局所リッチ部の三次元的位置は刻々と変化する）である。

一方、第２の処理系統においては、前回のルーチンで設定されたプラズマの点火時期が訪れた場合に（ステップＳ１９０：ＹＥＳ）、設定されたアンテナ位置でプラズマの点火制御が実行される（ステップＳ２０１）。即ち、ＥＣＵ１００は、アンテナ駆動部３４０を介し、燃焼室におけるアンテナ３３１の放電端の三次元位置を局所リッチ部相当位置に制御した上で、プラズマを発生させる。

プラズマを発生させると、ＥＣＵ１００は、次回のプラズマ点火時期及びアンテナ位置の設定が完了しているか否かを判定し（ステップＳ２１１）、完了するまで処理を待機状態とする（ステップＳ２１１：ＮＯ）。次回の点火時期及び位置が設定された場合には（ステップＳ２１１：ＹＥＳ）、第２の処理系統を終了する。

尚、本実施形態では、アンテナ３３１の放電端の位置を可変としたが、複数のアンテナを燃焼室内に設置して、局所リッチ部に最も近接した一のアンテナをプラズマ発生に利用する構成としてもよい。

尚、ここでは、アンテナ３３１の位置制御機能を第１実施形態に係るプラズマ点火制御に利用する場合を説明したが、第２実施形態に係るプラズマ点火制御に対しても同様に適用可能であることは言うまでもない。

ここで、図１０を参照し、本実施形態の効果について説明する。ここに、図１０は、燃焼室周辺の概略断面図である。尚、同図において、図８と重複する箇所には同一の符号を付してその説明を適宜省略することとする。

図１０において、図示円形のハッチング領域に局所リッチ部があるとする。この場合、アンテナ３３１を図８に例示された位置に対して伸長し且つ紙面左方向に回動させることにより、局所リッチ部に極めて近接した位置にプラズマを形成することが出来る。このように、本実施形態に係るプラズマ点火制御によれば、ＰＭ排出量が最大となるクランク角又はクランク角範囲（即ち、時期又は期間）において、ＰＭが局在する位置にプラズマを発生させることが出来る。従って、高いＰＭ浄化作用を得ることが出来る。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う内燃機関の制御装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明は、プラズマ発生装置を備えた内燃機関の制御に適用可能である。

１０…エンジンシステム、１００…ＥＣＵ、２００…エンジン、２０２…気筒、２０８…スワール弁、２１７…筒内圧センサ、３００…プラズマ発生装置、３３０、３３１…アンテナ、３４０…アンテナ駆動部。

Claims (4)

1. 筒内圧を検出可能な筒内圧検出手段と、
   筒内にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生装置と
   を備えた内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の行程容積及び前記検出された筒内圧から筒内の燃焼温度を推定する燃焼温度推定手段と、
   予め設定された機関運転条件と混合気の当量比との関係から前記当量比を推定する当量比推定手段と、
   前記推定された燃焼温度及び当量比並びに予め設定された前記燃焼温度及び当量比とＰＭ排出量との関係からＰＭ排出量を推定する排出量推定手段と、
   前記推定されたＰＭ排出量に基づいて前記プラズマの発生時期を制御する制御手段と
   を具備することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記燃焼温度推定手段は、クランク角に対応付けて前記燃焼温度を推定し、
   前記当量比推定手段は、クランク角に対応付けて前記当量比を推定する
   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。
3. 前記推定されたＰＭ排出量が最大となる時期又は期間を判定する判定手段を更に具備し、
   前記制御手段は、前記判定された時期又は期間においてプラズマを発生させる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記制御手段は、前記判定された時期又は期間の先回値に基づいて前記プラズマを発生させる
   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。

Images