JP2014084747A - 火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力消費をできるだけ抑制しながら内燃機関の始動の確実性を高める。
【解決手段】気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグ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、混合気に着火する火花点火式内燃機関において、始動の際、まず点火プラグの火花放電によって混合気に着火する始動処理を試み、火花点火のみによる始動がうまくいかなかった場合に、アンテナを介した電界の生成と点火プラグの火花放電とを相互作用させて混合気に着火する始動処理を行うこととした。
【選択図】図６

Description

本発明は、火花点火式内燃機関を制御する制御装置に関する。

火花点火式内燃機関に実装されている点火装置では、イグナイタが消弧した際に点火コイルに発生する高電圧を点火プラグの中心電極に印加することで、点火プラグの中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起し、点火する。

近時では、気筒の燃焼室内にある混合気に確実に着火させ、安定した火炎を得ることができるようにするために、電界発生回路、換言すれば高周波発振器が出力する高周波若しくはマグネトロンが出力するマイクロ波を燃焼室内に放射する「アクティブ着火」法が試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。アクティブ着火法によれば、中心電極と接地電極との間の空間に高周波電界若しくはマイクロ波電界が形成され、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。

特開２０１０−１０１１７７号公報

内燃機関の始動時には、電動機（スタータモータ、セルモータまたはモータジェネレータ）により機関のクランクシャフトを回転させるクランキングを行うことが通例である。クランキングは、機関が初爆から連爆へと至り、クランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに終了する。

厳冬期や寒冷地、高地等にあっては、気筒に充填される吸気の温度や圧力が非常に低くなる。そのような状況下で、火花点火のみによって内燃機関を始動しようとしても、混合気に着火せず、または混合気の燃焼が不十分となって、クランクシャフトの回転速度が十分に高まらないおそれがある。気筒において失火や不安定燃焼や続発すると、点火プラグの電極に液化した未燃燃料が付着するかぶりや、電極にカーボン等のデポジットが付着するくすぶりが発生し、火花点火による混合気への着火が益々難しくなる。

他方、アクティブ着火法を用いれば、内燃機関を確実に始動させることが容易となる。しかしながら、気筒の燃焼室内に電界を生成するために、少なからぬ電力を消費する。その電力は、内燃機関から駆動力の供給を受けて回転するオルタネータによって発電され、バッテリに蓄えられたものである。つまり、アクティブ着火を実施する頻度が高いほど燃料を消費し、実効的な燃費が低下してゆくことになる。

本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであって、電力消費をできるだけ抑制しながら内燃機関の始動の確実性を高めることを所期の目的としている。

本発明では、気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグ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、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、始動の際、まず点火プラグの火花放電によって混合気に着火する始動処理を試み、火花点火のみによる始動がうまくいかなかった場合に、アンテナを介した電界の生成と点火プラグの火花放電とを相互作用させて混合気に着火する始動処理を行うことを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置を構成した。

なお、火花点火のみによっては機関を始動できなかったが、電界の生成と火花放電との相互作用により機関を始動できたということは、点火プラグ以外の電気回路系統や燃料噴射系統等には故障が存在していないことを示唆する。そこで、火花点火のみによる始動がうまくいかなかった後、電界の生成と火花放電とを相互作用させることで機関を始動できた回数を計数しておき、その回数が所定値以上となったことを条件として、点火プラグ（特に、電極）が損耗しているものと判断することができる。

本発明によれば、電力消費をできるだけ抑制しながら内燃機関の始動の確実性を高めることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における火花点火装置の回路図。 同実施形態における電界発生装置の構成を説明する図。 同実施形態における電界発生装置の要素であるＨブリッジの回路図。 本実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。 同フロー図。

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。本実施形態における内燃機関は、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。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４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。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

本実施形態の内燃機関には、気筒１の燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置を付帯させている。この電界発生装置は、燃焼室内でプラズマを生成する目的のものである。電界発生装置の例としては、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路等を挙げることができる。

図３及び図４に示すように、高周波を発生させる電界発生装置は、車載バッテリを電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路を含む。具体的には、バッテリが提供する約１２Ｖの直流電圧を１００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流を交流に変換するＨブリッジ回路６２と、Ｈブリッジ回路６２が出力する交流をさらに高い電圧に昇圧する昇圧トランス６３とを構成要素とする。

電界発生装置の出力端には、第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５を介設することが好ましい。第一ダイオード６４は、カソードが昇圧トランス６３の二次側巻線の信号ラインに接続し、アノードが点火コイル１４との結節点であるミキサ６６に接続している。第二ダイオード６５は、アノードが昇圧トランス６３の二次側巻線のグランドラインに接続し、カソードが接地している。これら第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５は、点火タイミングにおいて点火コイル１４の二次側から流れ込む負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。

電界発生装置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、点火プラグ１２の中心電極に印加する。つまり、気筒１の燃焼室内に臨む点火プラグ１２の中心電極を、電界を放射するアンテナとする。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間の空間に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中で火花放電を行うことによりプラズマが発生し、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。

上記は、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。

因みに、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〜３０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。

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。

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。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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。

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（Ｎ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、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、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ｅ、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ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、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（Ｇ信号）ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３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、電界発生装置に対して電界（即ち、高周波）発生指令信号ｌ等を出力する。

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発生のタイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、スタータモータ（セルモータ、図示せず）に制御信号ｏを入力し、スタータモータのピニオンギアをフライホイール（ＭＴ車の場合）またはドライブプレート（ＡＴ車の場合）外周のリングギアに噛合させてクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

図５及び図６に、本実施形態のＥＣＵ０が内燃機関の始動の際に実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、イグニッションスイッチがＯＮに操作されたり、アイドルストップを終了して機関を再始動する条件が成立したりしたときに（ステップＳ１）、スタータモータによる機関のクランキングを開始する（ステップＳ２）。そして、インジェクタ１１から各気筒１へ燃料を噴射するとともに（ステップＳ３）、各気筒１の点火プラグ１２の火花放電により混合気へ点火する（ステップＳ４）。

始動中のクランクシャフトの回転速度が判定値を超えたならば（ステップＳ５）、完爆したものと見なして機関のクランキングを終了する（ステップＳ６）。

翻って、火花点火のみによる機関の始動がうまくいかない、即ちステップＳ３及びＳ４の始動処理を開始してから所定時間が経過してもクランクシャフトの回転速度が判定値を超えないならば（ステップＳ７）、次に、各気筒１の燃焼室内への高周波電界の放射を伴いつつ（ステップＳ９）点火プラグ１２の火花放電により混合気へ点火する「アクティブ着火」を開始する（ステップＳ１０）。

始動中のクランクシャフトの回転速度が判定値を超えたならば（ステップＳ１１）、完爆したものと見なして機関のクランキングを終了する（ステップＳ１２）。その後、スロットルバルブ３２の開度が所定以上に拡大したとき、またはエンジン回転数が目標回転数以上となっている期間が一定以上続いたとき（つまりは、気筒１における混合気の燃焼状態が安定的となるとき）に、アクティブ着火を終了、燃焼室内への高周波電界の放射を停止して火花点火のみによる運転へと移行することが好ましい。

また、ＥＣＵ０は、メモリに記憶している、アクティブ着火による機関の始動の成功回数の値を１増加させる（インクリメントする）（ステップＳ１３）。しかして、アクティブ着火による機関の始動の成功回数が所定値以上となったならば（ステップＳ１４）、点火プラグ１２の損耗により火花点火の能力が衰えたとの判断を下す。その原因としては、点火プラグ１２の中心電極及び／または接地電極の消耗による電極間ギャップの拡大や、点火プラグ１２のかぶり、くすぶり等を挙げることができる。

ＥＣＵ０は、点火プラグ１２の損耗を検知した旨を示す情報（ダイアグノーシスコード）を、そのときの日時のタイムスタンプ等とともにメモリに書き込んで記憶保持する（ステップＳ１５）。この情報は、事後の検査や修理の作業における始動不良の原因の究明の助けとなる。加えて、内燃機関の始動を阻害するような点火プラグ１２の損耗が生じていることを、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で出力してもよい（ステップＳ１６）。例えば、車両のコックピット内に設置された警告灯（エンジンチェックランプ）を点灯させたり、ディスプレイに表示させたり、ブザーまたはスピーカから警告音を音声出力させたりする。

アクティブ着火によっても機関の始動がうまくいかない、即ちステップＳ８ないしＳ１０の始動処理を開始してから所定時間が経過してもクランクシャフトの回転速度が判定値を超えないならば（ステップＳ１７）、機関の始動を中止する（ステップＳ１８）。

そして、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動不能の旨を示す情報を、そのときの日時のタイムスタンプ等とともにメモリに書き込んで記憶保持する（ステップＳ１９）。並びに、内燃機関の始動不能を、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で出力する（ステップＳ２０）。例えば、車両のコックピット内に設置された警告灯を点灯させたり、ディスプレイに表示させたり、ブザーまたはスピーカから警告音を音声出力させたりする。

本実施形態では、気筒１の燃焼室内に臨むアンテナ（点火プラグ１２の中心電極）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、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、始動の際、まず点火プラグ１２の火花放電によって混合気に着火する始動処理を試み、火花点火のみによる始動がうまくいかなかった場合に、アンテナを介した電界の生成と点火プラグ１２の火花放電とを相互作用させて混合気に着火する始動処理を行うことを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、点火プラグ１２の火花放電のみで混合気に着火して機関を始動できる状況ではアクティブ着火を実施せずに済み、余分な電力の消費を抑制できる。その上で、点火プラグ１２の火花放電のみで混合気に着火して機関を始動できない状況では、アクティブ着火により確実に機関を始動させることが可能になる。従って、内燃機関の始動の確実性を高めながらも、燃費性能を維持することができる。

また、火花点火のみによる始動がうまくいかなかった後、電界の生成と火花放電とを相互作用させることで機関を始動できた回数を計数し、その回数が所定値以上となったことを条件として、点火プラグ１２が損耗していると判断するものとしたため、機関の始動不良の原因を切り分けて特定することが可能となり、機関が搭載された車両等のメンテナンスコストの低減に寄与し得る。

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。例えば、内燃機関の気筒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界発生装置は、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路に限定されない。電界発生装置として、マイクロ波発生装置等を採用しても構わない。

マイクロ波発生装置は、車載バッテリを電源とするマグネトロン及びこれを制御する制御回路を要素とする。マイクロ波発生装置は、導波管や同軸ケーブル等を介して点火プラグ１２に電気的に接続しており、マグネトロンが出力するマイクロ波を点火プラグ１２に印加し、その中心電極から気筒１の燃焼室内に放射することが可能である。

マグネトロンによるマイクロ波は、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印加する。この際、ＥＣＵ０は、マグネトロンを制御する制御回路に対して、電界（即ち、マイクロ波）発生指令信号を入力する。マグネトロンによるマイクロ波と、点火コイル１４による高誘導電圧とを重畳して点火プラグ１２の中心電極に印加することも考えられる。

また、点火プラグ１２とは別の、気筒１の燃焼室内に高周波電界またはマイクロ波電界を放射するためのアンテナを、機関の気筒１に実装していてもよい。

その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、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。

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。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ、アンテナ

Claims (2)

1. 気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグ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、混合気に着火する火花点火式内燃機関を制御するものであって、
   始動の際、まず点火プラグの火花放電によって混合気に着火する始動処理を試み、
   火花点火のみによる始動がうまくいかなかった場合に、アンテナを介した電界の生成と点火プラグの火花放電とを相互作用させて混合気に着火する始動処理を行うことを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置。
2. 火花点火のみによる始動がうまくいかなかった後、電界の生成と火花放電とを相互作用させることで機関を始動できた回数を計数し、
   その回数が所定値以上となったことを条件として、点火プラグが損耗していると判断する請求項１記載の火花点火式内燃機関の制御装置。

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