特許 6248980 内燃機関の気流の流速算出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6248980

(24)【登録日】2017年12月1日

(45)【発行日】2017年12月20日

(54)【発明の名称】内燃機関の気流の流速算出装置

(51)【国際特許分類】

   F02P 17/00 20060101AFI20171211BHJP

   F02P 15/10 20060101ALI20171211BHJP

   F02B 31/04 20060101ALI20171211BHJP

【ＦＩ】

   F02P17/00 Z

   F02P15/10 301D

   F02B31/04 500A

【請求項の数】2

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-100286(P2015-100286)

(22)【出願日】2015年5月15日

(65)【公開番号】特開2016-217192(P2016-217192A)

(43)【公開日】2016年12月22日

【審査請求日】2017年2月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106150

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100082175

【弁理士】

【氏名又は名称】高田 守

(74)【代理人】

【識別番号】100113011

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 秀和

(72)【発明者】

【氏名】津田 里志

【審査官】 種子島 貴裕

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２１９６２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０８８９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２００２５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｐ １７／００

Ｆ０２Ｂ ３１／０４

Ｆ０２Ｐ １５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気筒と、
前記気筒内に配置された中心電極と接地電極とを有する点火プラグと、
前記気筒に接続された吸気通路と、
前記吸気通路内に配置され、前記気筒内の気流を制御するために動作させる気流制御弁と、
前記中心電極と前記接地電極との間の放電が開始されてから、前記気筒内の気流によって前記中心電極と前記接地電極との間の放電が遮断されるまでの時間である放電維持時間に基づいて前記気筒内の気流の流速を算出する流速算出部と、
前記中心電極と前記接地電極との間の放電電流を制御する放電電流制御部とを具備する内燃機関の気流の流速算出装置において、
内燃機関の１サイクル中の初回の放電における放電維持時間と、前記気筒内の気流によって前記中心電極と前記接地電極との間の前記初回の放電が遮断された後に前記中心電極と前記接地電極との間で前記初回の放電に引き続いて実行される内燃機関の１サイクル中の２回目以降の放電における放電維持時間との合計である点火期間中に、前記放電電流制御部により、前記中心電極と前記接地電極との間の放電電流の値が一定に維持されるように、前記点火プラグにエネルギーが供給されることを特徴とする内燃機関の気流の流速算出装置。

【請求項2】

前記初回の放電における放電維持時間に基づいて算出された前記気筒内の気流の流速が異常値であるか否かを判断する判断部を具備し、
前記初回の放電における放電維持時間に基づいて算出された前記気筒内の気流の流速が異常値であると前記判断部によって判断されたときに、前記流速算出部が、前記２回目以降の放電における放電維持時間に基づいて前記気筒内の気流の流速を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気流の流速算出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気筒内に配置された中心電極と接地電極とを有する点火プラグと、吸気通路内に配置された気流制御弁とを備えた内燃機関の気流の流速算出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、点火プラグの中心電極電圧の変化から点火プラグの放電時間が計測される内燃機関が知られている。この種の内燃機関の例としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、点火プラグの放電時間と点火プラグ近傍の流速との間に、１対１の関係が存在し、放電時間が増大すると、点火プラグ近傍の流速が単調に減少する旨、および、放電時間が燃焼室内の旋回流の強さ（流速）に対応する旨が記載されている。また、プラグ電極間に絶縁破壊が生じる高い電圧が印加されたときに放電が発生し、その後放電が持続されるものの放電の発生と共にプラグ電極間に電流が流れるため電極間電圧が急速に下がり、気流により放電が吹き消えると、再びプラグ電極間は絶縁されプラグ電極間の電圧が急上昇する旨が記載されている。さらに、中心電極電圧をモニタし、その時系列変化において２つのピークを検出し、ピーク間の時間を計測することにより放電時間を求めることができる旨が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−３０５１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般的に、エンジンの１サイクル中に１回実行される点火プラグの点火では、気筒内の気流によって点火プラグの中心電極と接地電極との間の初回の放電が遮断された後に中心電極と接地電極との間で２回目の放電が実行され、エネルギーが消費されて放電が実行できなくなるまで中心電極と接地電極との間の放電が断続的に繰り返される。
一般には、点火プラグの中心電極と接地電極との間の初回の放電が開始されてから、気筒内の気流によって初回の放電が遮断されるまでの放電維持時間に基づき、気筒内の気流の流速を算出することができる。一方、初回の放電中に点火コイルの電磁エネルギーが消費されてしまうため、２回目以降の放電における放電維持時間に基づいては、気筒内の気流の流速を正確に算出することが難しい。
ところで、上述したように、点火プラグの点火はエンジンの１サイクル中に１回しか実行されない。従って、点火プラグの中心電極と接地電極との間の初回の放電中に、例えば気流方向が急変するイレギュラーな現象が生じた場合には、その初回の放電における放電維持時間に基づいて算出される気筒内の気流の流速が不正確になってしまう。

【0005】

前記問題点に鑑み、本発明は、気筒内の気流の流速の算出精度を向上させることができる内燃機関の気流の流速算出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】

【0006】

請求項１に記載の発明によれば、気筒と、
前記気筒内に配置された中心電極と接地電極とを有する点火プラグと、
前記気筒に接続された吸気通路と、
前記吸気通路内に配置され、前記気筒内の気流を制御するために動作させる気流制御弁と、
前記中心電極と前記接地電極との間の放電が開始されてから、前記気筒内の気流によって前記中心電極と前記接地電極との間の放電が遮断されるまでの時間である放電維持時間に基づいて前記気筒内の気流の流速を算出する流速算出部と、
前記中心電極と前記接地電極との間の放電電流を制御する放電電流制御部とを具備する内燃機関の気流の流速算出装置において、
内燃機関の１サイクル中の初回の放電における放電維持時間と、前記気筒内の気流によって前記中心電極と前記接地電極との間の前記初回の放電が遮断された後に前記中心電極と前記接地電極との間で前記初回の放電に引き続いて実行される内燃機関の１サイクル中の２回目以降の放電における放電維持時間との合計である点火期間中に、前記放電電流制御部により、前記中心電極と前記接地電極との間の放電電流の値が一定に維持されるように、前記点火プラグにエネルギーが供給されることを特徴とする内燃機関の気流の流速算出装置が提供される。

【0007】

請求項２に記載の発明によれば、前記初回の放電における放電維持時間に基づいて算出された前記気筒内の気流の流速が異常値であるか否かを判断する判断部を具備し、
前記初回の放電における放電維持時間に基づいて算出された前記気筒内の気流の流速が異常値であると前記判断部によって判断されたときに、前記流速算出部が、前記２回目以降の放電における放電維持時間に基づいて前記気筒内の気流の流速を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気流の流速算出装置が提供される。

【0008】

すなわち、本発明の内燃機関の気流の流速算出装置では、点火期間中に中心電極と接地電極との間の放電電流の値が一定に維持される。その結果、内燃機関の１サイクル中の初回の放電中に点火コイルの電磁エネルギーが消費されることに伴って、内燃機関の１サイクル中の２回目以降の放電における放電維持時間が初回の放電における放電維持時間よりも短くなってしまうことを抑制することができる。
つまり、気筒内の気流の流速を算出するために、初回の放電における放電維持時間のみならず、２回目以降の放電における放電維持時間を用いることができる。
そのため、気筒内の気流の流速を算出するために初回の放電における放電維持時間のみが用いられる場合よりも、気筒内の気流の流速の算出精度を向上させることができる。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、気筒内の気流の流速の算出精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に関連する発明の実施形態における気流制御弁４０の動作所要時間学習を説明するためのフローチャートである。

【図2】経年した気流制御弁４０の開弁動作または閉弁動作が完了する前に点火などの制御が実行されてしまうのを防止する制御を説明するためのフローチャートである。

【図3】閉弁動作時における気流制御弁４０の開度などを示した図である。

【図4】第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置が適用される内燃機関１０を示した概略構成図である。

【図5】電極部流速と放電維持時間との関係を示した図である。

【図6】プラグ部流速および気流制御弁４０の開度を示した図である。

【図7】気流制御弁４０の切り替え動作所要時間の学習を実行するのに適した運転領域を説明するための図である。

【図8】図１に示す気流制御弁４０の開閉切り替え動作所要時間学習が実行される条件を説明するためのフローチャートである。

【図9】中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の点火放電を説明するための図である。

【図10】中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電経路の伸長を説明するための図である。

【図11】図１０（Ｄ）中に破線で示す中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の初回放電の遮断および図１０（Ｄ）中に実線で示す中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の再放電を説明するための図である。

【図12】中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の電圧の値などを示した図である。

【図13】第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置の効果を説明するための図である。

【図14】第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置の主要部を示した概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の内燃機関の気流の流速算出装置の第１の実施形態について説明する前に、本発明に関連する発明の実施形態について説明する。図４は本発明に関連する発明の実施形態が適用される内燃機関１０を示した概略構成図である。後述する第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置を、図４に示す内燃機関１０に適用することもできる。

【0012】

図４に示す例では、シリンダブロック１９に形成された気筒１２と、気筒１２の内部を往復運動するピストン１４とが設けられている。さらに、シリンダヘッド１８の下面と気筒１２の内壁面とピストン１４の冠面とによって、燃焼室２０が形成されている。シリンダヘッド１８には、燃焼室２０内に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁１１が配置されている。また、気筒１２内に配置された中心電極２２ａと接地電極２２ｂとを有する点火プラグ２２が設けられている。つまり、点火プラグ２２の中心電極２２ａと接地電極２２ｂとが、燃焼室２０内に突出している。
さらに、吸気通路２４と排気通路２６とが気筒１２に接続されている。また、吸気通路２４と燃焼室２０との間を開閉する吸気バルブ２８と、燃焼室２０と排気通路２６との間を開閉する排気バルブ３０とが設けられている。さらに、気筒１２内の気流を制御するために、例えばタンブル制御弁（ＴＣＶ）、スワール制御弁（ＳＣＶ）などの気流制御弁４０が、吸気通路２４に配置されている。図４中に双方向矢印で示すように、気流制御弁４０は、図４中に実線で示す位置と、図４中に破線で示す位置との間を回動可能に構成されている。詳細には、気流制御弁４０の開度により、燃焼状態が、例えばリーンとストイキとの間で切り替えられる。

【0013】

気流制御弁４０を制御する（動作させる）ことにより、気筒１２内の空気流動が活発になり、燃焼状態が好適になる。特に均質リーンバーンやＥＧＲバーンでは、気筒１２内の空気流動によって生成された乱れが燃焼の安定性確保に必要である。気流制御弁４０を閉弁し、吸気流路を絞ったままでは内燃機関１０の出力が要求される運転領域で空気量が不足して動力性能が低下するため、一般に、出力要求時には、気流制御弁４０が開弁状態にされ、空気量が確保される。
内燃機関１０の運転状態のなかで、気流制御弁４０の閉弁状態で実現できる燃焼と、気流制御弁４０の開弁状態で実現できる燃焼とには差がある。例えば、気流制御弁４０の閉弁状態ではＡ／Ｆ２５の燃焼を実現可能であるが、気流制御弁４０の開弁状態ではＡ／Ｆ２３までしか希薄運転を実現することができない。そのため、燃焼切り替えと気流制御弁４０による気流切り替えとは、運転状態を確認しながら実施することが望ましい。運転状態を確認することなく、燃焼切り替えと気流制御弁４０による気流切り替えとが実施される場合には、燃焼変動が増大したり、失火が生じたりするおそれがある。

【0014】

図４に示す例のように構成された内燃機関１０では、気流制御弁４０が図４中に実線で示す位置と破線で示す位置との間を回動する所要時間が、図３（Ａ）に示すように、経年によって長くなる傾向がある。
一般には、経年によって気流制御弁４０の動作速度が低下した場合であっても、気流制御弁４０の開閉切り替え動作指示が出されてから所定期間が経過した後に、気流制御弁４０の開閉切り替え動作が完了したとみなされ、気流制御弁４０の状態が確認されることなく、後述する他の燃焼パラメータが変更されている。

【0015】

図３（Ａ）は閉弁動作時における気流制御弁４０（図４参照）の開度を、気流制御弁４０の使用初期と経年後とで比較して示した図である。図３（Ｂ）は筒内気流流動（気筒１２（図４参照）内の気流の流速）を、気流制御弁４０の使用初期（図３（Ｂ）中の破線）と経年後（図３（Ｂ）中の実線）とで比較して示した図である。
図３（Ａ）に示すように、気流制御弁４０の閉弁動作の所要時間が、気流制御弁４０の使用初期に初期時間Ｔｏｐｅｎであるのに対し、気流制御弁４０の経年後には経年後時間Ｔｏｐｅｎに増大する。
図３（Ｂ）に示すように、気流制御弁４０の開弁量が減少するに従って、筒内気流流動（気筒１２内の気流の流速）は増加する。
図４に示す例では、図９に示すように点火プラグ２２の放電電圧（電極間電圧）が計測され、図１２（Ａ）に示すような放電電圧（電極間電圧）の挙動に基づいて中心電極２２ａおよび接地電極２２ｂの近傍の気流の流速が推測（算出）される。

【0016】

図３（Ｃ）は後述する気流制御弁４０の動作所要時間学習が反映されない場合および気流制御弁４０の動作所要時間学習が反映される場合における気流制御弁４０の経年後のＡ／Ｆを示した図である。
図３（Ｃ）中に破線で示すように、気流制御弁４０の動作所要時間学習が反映されない場合、経年した気流制御弁４０の閉弁動作が完了する前にＡ／Ｆを変更する制御が実行されてしまう。一方、図３（Ｃ）中に実線で示すように、気流制御弁４０の動作所要時間学習が反映される場合、経年した気流制御弁４０の閉弁動作が完了した後にＡ／Ｆを変更する制御が実行される。
図３（Ｄ）は気流制御弁４０の動作所要時間学習が反映されない場合および気流制御弁４０の動作所要時間学習が反映される場合における点火時期を示した図である。
図３（Ｄ）中に破線で示すように、気流制御弁４０の動作所要時間学習が反映されない場合、経年した気流制御弁４０の閉弁動作が完了する前に点火が実行されてしまう。一方、図３（Ｄ）中に実線で示すように、気流制御弁４０の動作所要時間学習が反映される場合、経年した気流制御弁４０の閉弁動作が完了した後に点火が実行される。
つまり、気流制御弁４０の動作所要時間学習が反映されない場合には、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）の楕円で囲まれた部分に示すように、経年した気流制御弁４０の閉弁動作が完了する前にＡ／Ｆの変更制御および点火が実行されることに伴い、燃焼が悪化し、失火が発生するおそれが生じてしまう。
すなわち、上述したように、気流制御弁４０の開閉切り替え動作指示が出されてから所定期間が経過した後に、気流制御弁４０の開閉切り替え動作が完了したとみなされ、気流制御弁４０の状態が確認されることなく、燃焼パラメータが変更される場合には、経年した気流制御弁４０の開閉切り替え動作が完了する前に燃焼パラメータが変更されるときに、燃焼変動や失火が発生してしまうおそれがある。
この問題点に鑑み、本発明に関連する発明の実施形態では、気流制御弁４０の動作所要時間学習が実行される。

【0017】

図１は本発明に関連する発明の実施形態における気流制御弁４０（図４参照）の動作所要時間学習を説明するためのフローチャートである。
図１に示すルーチンが開始されると、ステップＳ１０１において、気流制御弁４０の動作所要時間学習に適した条件であるか否かが判定される。ＹＥＳのときにはステップＳ１０２に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了し、所定期間経過後にステップＳ１０１からの処理を再開する。
ステップＳ１０２では、気流制御弁４０の開閉が実施される。次いで、ステップＳ１０３では、気流制御弁４０の動作所要時間学習が実行される。具体的には、気流制御弁４０が図４中に破線で示す開弁位置から実線で示す閉弁位置まで回動する所要時間Ｔｏｐｅｎ［ｍｓ］と、気流制御弁４０が図４中に実線で示す閉弁位置から破線で示す開弁位置まで回動する所要時間Ｔｃｌｏｓｅ［ｍｓ］とが取得される。

【0018】

詳細には、気流制御弁４０（図４参照）の開度と、点火プラグ２２（図４参照）の中心電極２２ａ（図４参照）および接地電極２２ｂ（図４参照）の近傍の気流の流速（プラグ部流速）とには、図６に示すような関係がある。
図６（Ａ）はプラグ部流速（点火プラグ２２の中心電極２２ａおよび接地電極２２ｂの近傍の気流の流速）を示しており、図６（Ｂ）は気流制御弁４０の開度を示している。
図６に示すように、気流制御弁４０の開度が大きくなるに従って、点火プラグ２２の中心電極２２ａおよび接地電極２２ｂの近傍の気流の流速が小さくなる。つまり、気流制御弁４０の開度が小さくなるに従って、点火プラグ２２の中心電極２２ａおよび接地電極２２ｂの近傍の気流の流速が大きくなる。

【0019】

また、点火プラグ２２（図４参照）の中心電極２２ａ（図４参照）および接地電極２２ｂ（図４参照）の近傍の気流の流速（電極部流速）と、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電維持時間とには、図５に示すような関係がある。
図５は電極部流速と放電維持時間との関係を示した図である。
図５に示すように、気流制御弁４０（図４参照）の開度が小さく、電極部流速（点火プラグ２２の中心電極２２ａおよび接地電極２２ｂの近傍の気流の流速）が大きい場合には、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電維持時間が短くなる。一方、気流制御弁４０の開度が大きく、電極部流速が小さい場合には、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電維持時間が長くなる。

【0020】

図９は中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の点火放電を説明するための図である。図９に示すように、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間に電圧が印加され、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間のガスに絶縁破壊が生じると、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間に点火放電が生じ、図９中に示す「放電経路（電気火花経路）」が形成される。
図９中に矢印で示すような気流が中心電極２２ａおよび接地電極２２ｂの近傍に存在する場合には、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間に、図９に示すような伸長した（湾曲した）放電経路が形成される。一方、中心電極２２ａおよび接地電極２２ｂの近傍に気流が存在しない場合には、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間に、図１０（Ａ）に示すような伸長していない（湾曲していない）直線的な放電経路が形成される。

【0021】

図１０は中心電極２２ａ（図４および図９参照）と接地電極２２ｂ（図４および図９参照）との間の放電経路（図９参照）の伸長を説明するための図である。
中心電極２２ａおよび接地電極２２ｂの近傍に気流が存在する場合、図１０（Ａ）に示すように、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電の開始直後には、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間に、伸長していない（湾曲していない）直線的な放電経路が形成される。
次いで、図１０（Ｂ）に示すように、中心電極２２ａおよび接地電極２２ｂの近傍の気流によって、放電経路が伸長する（湾曲する）。
次いで、図１０（Ｃ）に示すように、中心電極２２ａおよび接地電極２２ｂの近傍の気流によって、放電経路がさらに伸長する（湾曲する）。一方、図１０（Ｃ）に示す程度まで放電経路が伸長すると、放電経路内の電気抵抗の増加、絶縁破壊されていないガスが気流によって中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間に流入することなどが起因し、図１０（Ｄ）中に破線で示すように、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電が遮断される。
その時、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電を引き続き実行するのに十分なエネルギーが点火プラグ２２（図４参照）に供給されている場合には、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間で次の放電（再放電）が実行され、図１０（Ｄ）中に実線で示すような放電経路が形成される。

【0022】

図１１は図１０（Ｄ）中に破線で示す中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の初回放電の遮断および図１０（Ｄ）中に実線で示す中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の再放電を説明するための図である。図１１において、横軸は放電長（放電経路の長さ）を示しており、縦軸は電極間絶縁破壊電圧および放電経路間電圧を示している。
図１１に示すように、放電経路が長くなる（放電長が大きくなる）に従って、放電経路間電圧が大きくなる。
図１０に示す例では、図１０（Ｄ）に破線で示す程度まで初回放電（図１２参照）の放電経路が長くなると、図１１中に星印で示すように、放電経路間電圧（図１１参照）が電極間絶縁破壊電圧（図１１参照）に到達し、中心電極２２ａ（図４および図９参照）と接地電極２２ｂ（図４および図９参照）との間の初回放電が遮断されると共に、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間で再放電（図１２参照）が実行される。
図１１に示すように、放電電流が小さい場合には、放電電流が大きい場合よりも初回放電の放電経路が短いときに、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の初回放電が遮断されると共に、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間で再放電が実行される。

【0023】

本明細書では、図１０（Ａ）に示すように中心電極２２ａ（図４および図９参照）と接地電極２２ｂ（図４および図９参照）との間の放電が開始されてから、図１０（Ｄ）に示すように気筒１２（図４参照）内の気流によって中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電が遮断されるまでの時間を「放電維持時間」（図５参照）と称する。
図１０（Ｄ）中に破線で示すように、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電が遮断されても、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電を引き続き実行するのに十分なエネルギーが点火プラグ２２（図４参照）に供給されている場合には、図１０（Ｄ）中に実線で示すように、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間で次の放電が実行される。
従って、本明細書では、エンジンの１サイクル中に最初に実行される中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電を「初回の放電」と称し、例えば図１２（Ａ）中の「Ｔｓ１」は初回の放電における放電維持時間を示す。また、本明細書では、図１０（Ｄ）に示すように初回の放電に引き続いて実行される中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電を「２回目以降の放電」と称する。例えば図１２（Ａ）中の「Ｔｓ２」は２回目の放電における放電維持時間を示し、「Ｔｓ３」は３回目の放電における放電維持時間を示す。
さらに、本明細書では、エンジンの１サイクル中に１回実行される点火プラグ２２の点火における「点火期間」を、「初回の放電における放電維持時間Ｔｓ１（図１２（Ａ）参照）と、気筒１２内の気流によって中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の初回の放電が遮断された後に中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間で初回の放電に引き続いて実行される２回目以降の放電における放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３、…（図１２（Ａ）参照）との合計」と定義する。詳細には、図１２（Ａ）に示す例では、図１２（Ａ）中の「初回放電」の時点から図１２（Ａ）中の「放電終了」の時点までの期間が、点火プラグ２２の点火における「点火期間」に相当する。
図１２（Ａ）は中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の電圧（電極間電圧）の値を示しており、図１２（Ｂ）は中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電電流の値を示している。
図１２（Ａ）に示すように、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の電圧（電極間電圧）は、図１０（Ｄ）に破線で示すように初回放電が遮断されるときに極値になり、図１０（Ｄ）に実線で示すように再放電（次の放電）が実行されるときに急峻に接地電位（０Ｖ）に近付く。この性質を利用し、前回計測された電極間電圧と今回計測された電極間電圧との差が所定の閾値を超えたときに、再放電が実行されたと判断される。

【0024】

図１の説明に戻り、ステップＳ１０３では、例えば図１２（Ａ）の初回放電の実施時刻と再放電の実施時刻とに基づいて放電維持時間Ｔｓ１が算出され、次いで、例えば図５に示す関係に基づいて気流の流速が算出され、次いで、例えば図６に示す関係に基づいて気流制御弁４０（図４参照）の開度が算出されると共に、気流制御弁４０の開弁状態から閉弁状態への閉弁動作所要時間Ｔｏｐｅｎが算出される。同様に、気流制御弁４０の閉弁状態から開弁状態への開弁動作所要時間Ｔｃｌｏｓｅが算出される。
つまり、経年による気流制御弁４０の動作所要時間Ｔｏｐｅｎ、Ｔｃｌｏｓｅの変化が、このステップＳ１０３において学習される。
次いで、ステップＳ１０４では、故障判定が実行される。具体的には、ステップＳ１０３において算出された閉弁動作所要時間Ｔｏｐｅｎが閾値ＴｏｐｅｎＭＡＸより大きいか否かが判定される。さらに、ステップＳ１０３において算出された開弁動作所要時間Ｔｃｌｏｓｅが閾値ＴｃｌｏｓｅＭＡＸより大きいか否かが判定される。いずれかがＹＥＳのときにはステップＳ１０５に進み、いずれもがＮＯのときにはこのルーチンを終了し、所定期間経過後にステップＳ１０１からの処理を再開する。
ステップＳ１０５では、故障通知が実行される。具体的には、気流制御弁４０（図４参照）の開閉が禁止され、退避モードへ移行する。
図１に示す例では、気流制御弁４０の専用の故障検知センサを用いることなく、気流制御弁４０の故障および経年動作変化を把握することができ、故障検知センサのコストを削減することができる。
また、気流制御弁４０の開閉切り替え動作所要時間を学習して反映することにより、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）の楕円で囲まれた部分に示すような、気流制御弁４０の開閉切り替え動作完了前の燃焼変動の増大や失火を防ぐことができ、燃焼を安定化させることができる。

【0025】

図２は経年した気流制御弁４０（図４参照）の開弁動作または閉弁動作が完了する前に点火などの制御が実行されてしまうのを防止する制御を説明するためのフローチャートである。つまり、図２は、図３（Ｃ）に示す例のように経年した気流制御弁４０の閉弁動作が完了する前にＡ／Ｆの切り替えが実行されてしまったり、図３（Ｄ）に示す例のように経年した気流制御弁４０の閉弁動作が完了する前に点火が実行されてしまったりするのを防止する制御を説明するためのフローチャートである。
図２に示すルーチンが開始されると、ステップＳ２０１において、気流制御弁４０の切り替え条件が読み込まれる。次いで、ステップＳ２０２において、気流制御弁４０の切り替え指令が出される。この気流制御弁４０の切り替えは、気流制御弁４０の切り替えに適した条件下においてのみ実行される。

【0026】

次いで、ステップＳ２０３では、気流制御弁４０（図４参照）の切り替え時間の経過の判断が実行される。具体的には、例えば図３（Ａ）に示す例のように、気流制御弁４０が開弁状態から閉弁状態に切り替えられる場合には、気流制御弁４０の切り替え動作の開始後の経過時間Ｔが、時間Ｔｏｐｅｎより大きくなったか否かが判定される。
図３（Ａ）に示すように、気流制御弁４０の使用初期には、時間Ｔｏｐｅｎが小さい値に設定され、気流制御弁４０の経年後には、時間Ｔｏｐｅｎが大きい値に設定される。
気流制御弁４０の切り替え動作の開始後の経過時間Ｔが時間Ｔｏｐｅｎより大きいときには、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）の楕円で囲まれた部分に示すような状況が発生しないと判断し、ステップＳ２０４に進む。一方、気流制御弁４０の切り替え動作の開始後の経過時間Ｔが時間Ｔｏｐｅｎより大きくないときには、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）の楕円で囲まれた部分に示すような状況になるおそれがあると判断し、所定期間経過後にステップＳ２０３が再び実行される。
つまり、後述する他の燃焼パラメータの変更が禁止されることになる。

【0027】

また、ステップＳ２０３では、気流制御弁４０（図４参照）が閉弁状態から開弁状態に切り替えられる場合に、気流制御弁４０の切り替え動作の開始後の経過時間Ｔが、時間Ｔｃｌｏｓｅより大きくなったか否かが判定される。
図３（Ａ）に示す例と同様に、気流制御弁４０の使用初期には、時間Ｔｃｌｏｓｅが小さい値に設定され、気流制御弁４０の経年後には、時間Ｔｃｌｏｓｅが大きい値に設定される。
気流制御弁４０の切り替え動作の開始後の経過時間Ｔが時間Ｔｃｌｏｓｅより大きいときには、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）の楕円で囲まれた部分に示すような状況が発生しないと判断し、ステップＳ２０４に進む。一方、気流制御弁４０の切り替え動作の開始後の経過時間Ｔが時間Ｔｃｌｏｓｅより大きくないときには、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）の楕円で囲まれた部分に示すような状況になるおそれがあると判断し、所定期間経過後にステップＳ２０３が再び実行される。
つまり、後述する他の燃焼パラメータの変更が禁止されることになる。

【0028】

ステップＳ２０４では、他の燃焼パラメータ変更の実施が許可される。具体的には、例えば図３（Ｄ）に示すような点火の実行が許可される。また、例えば図３（Ｃ）に示すような燃料噴射量の変更が許可される。
つまり、図２に示す例では、経年変化によって気流制御弁４０（図４参照）の切り替え動作所要時間が変化した場合であっても、好適な燃焼切り替えが実行される。
具体的には、例えば図１２（Ａ）の初回放電の実施時刻と再放電の実施時刻とに基づいて放電維持時間Ｔｓ１が算出される。さらに、中心電極２２ａ（図４および図９参照）と接地電極２２ｂ（図４および図９参照）との間の放電維持時間Ｔｓ１と図５に示す関係とに基づいて気筒１２（図４参照）内の気流の流速が算出される。詳細には、放電維持時間Ｔｓ１は放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３（図１２（Ａ）参照）よりも電極部気流流速との相関が高いため、放電維持時間Ｔｓ１と気流の流速とが図５に示すような関係を有する。
また、気筒１２内の気流の流速と図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示す関係とに基づいて気流制御弁４０の開度が算出され、気流制御弁４０の切り替え動作所要時間（時間Ｔｏｐｅｎ、Ｔｃｌｏｓｅ）が算出される。つまり、気流制御弁４０の切り替え動作所要時間（時間Ｔｏｐｅｎ、Ｔｃｌｏｓｅ）の学習が実行される。
詳細には、エンジンのサイクル毎に、放電維持時間Ｔｓ１が算出され、気筒１２内の気流の流速が算出され、気流制御弁４０の開度が算出され、その結果、図６（Ｂ）に示す気流制御弁４０の開度と時間との関係が得られ、気流制御弁４０の開閉切り替え動作所要時間が得られる。
それにより、失火などの燃焼変動を防ぐことができる。

【0029】

図７は気流制御弁４０の切り替え動作所要時間（時間Ｔｏｐｅｎ、Ｔｃｌｏｓｅ）の学習を実行するのに適した運転領域を説明するための図である。図７において、横軸はエンジン回転速度を示しており、縦軸はトルクを示している。
図７に示すように、気流制御弁４０の開度が小さい「気流制御弁閉領域」は、図７の左下側部分に設定されている。また、気流制御弁４０の開度が大きい「気流制御弁開領域」は、図７の右上側部分に設定されている。「気流制御弁閉領域」と「気流制御弁開領域」との間の、図７中にハッチングで示す領域が、気流制御弁４０の開閉切り替え動作の「ヒステリシス領域」である。

【0030】

図８は図１に示す気流制御弁４０（図４参照）の開閉切り替え動作所要時間学習が実行される条件を説明するためのフローチャートである。
図８に示すルーチンが開始されると、ステップＳ３０１において、気流制御弁４０の開閉切り替え動作所要時間学習が要求される。次いで、ステップＳ３０２では、現在の内燃機関１０（図４参照）の運転状態が、図７中にハッチングで示す「ヒステリシス領域」内にあるか否かが判定される。ＹＥＳのときにはステップＳ３０３に進み、ＮＯのときにはこのルーチンを終了し、所定期間経過後にステップＳ３０１からの処理を再開する。
ステップＳ３０３では、現在の内燃機関１０の運転状態が定常運転状態であるか否かが判定される。具体的には、図７中にハッチングで示す「ヒステリシス領域」内に滞在している時間が所定の閾値（判定時間）より大きくなったか否かが判定される。ＹＥＳのときにはステップＳ３０４に進み、ＮＯのときにはステップＳ３０２に戻る。
ステップＳ３０４では、学習条件がＯＮにされ、図１に示す気流制御弁４０の開閉切り替え動作所要時間学習が実行される。
図８に示す例では、気流制御弁４０の開閉切り替え動作所要時間学習が図７中にハッチングで示す「ヒステリシス領域」内で実行されるため、気流制御弁４０の開弁中および閉弁中（つまり、非開閉切り替え動作中）の燃焼安定性を確保することができる。
また、図８に示す例では、定常運転時に気流制御弁４０の開閉切り替え動作所要時間学習が実行されるため、運転条件の変動の影響を受けることなく、学習の精度を向上させることができる。

【0031】

以下、本発明の内燃機関の気流の流速算出装置の第１の実施形態について説明する。図１４は第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置の主要部を示した概略構成図である。図１３は第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置の効果を説明するための図である。図１３（Ａ）は第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置の中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の電圧（電極間電圧）を示しており、図１３（Ｂ）は第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置の中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電電流を示している。
第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置は、例えば図４に示す構成の内燃機関システムに対して適用することができる。
また、図１に示す気流制御弁４０（図４参照）の開閉切り替え動作所要時間学習は、第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置が適用された内燃機関システムにおいても実行することができる。
さらに、経年した気流制御弁４０（図４参照）の開弁動作または閉弁動作が完了する前に点火などの制御が実行されてしまうのを防止するための図２に示す制御は、第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置が適用された内燃機関システムにおいても実行することができる。
また、気流制御弁４０（図４参照）の開閉切り替え動作所要時間学習が実行される条件であるか否かを判定する図８に示す処理は、第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置が適用された内燃機関システムにおいても実行することができる。

【0032】

一般的に、エンジンの１サイクル中に１回実行される点火プラグの点火では、図１２（Ａ）に示すように、気筒１２（図４参照）内の気流によって点火プラグ２２（図４参照）の中心電極２２ａ（図４および図９参照）と接地電極２２ｂ（図４および図９参照）との間の初回放電が遮断された後に中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間で２回目の放電（再放電）が実行され、エネルギーが消費されて放電が実行できなくなるまで中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電（再放電）が断続的に繰り返される。
一般には、図１２（Ａ）に示す例のように、点火プラグ２２の中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の初回放電が開始されてから、気筒１２内の気流によって初回放電が遮断されるまでの放電維持時間Ｔｓ１に基づき、気筒１２内の気流の流速が算出される。一方、初回放電中に点火コイル５０の電磁エネルギーが消費され、図１２（Ｂ）に示すように、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電電流が低下していくため、２回目の放電の放電維持時間Ｔｓ２は初回放電の放電維持時間Ｔｓ１より短くなり、３回目の放電の放電維持時間Ｔｓ３は２回目の放電の放電維持時間Ｔｓ２より短くなる。
詳細には、時間の経過と共に放電電流が低下するため、放電経路中の電離イオンが減少し、図１１に示すように放電経路間電圧が上昇し、それに伴って、短い放電経路長で放電が遮断され、その放電に引き続く再放電が行われるようになる。
その結果、２回目以降の放電における放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３、…に基づいては、気筒１２内の気流の流速を正確に算出することが難しい。
ところで、上述したように、点火プラグ２２の点火はエンジンの１サイクル中に１回しか実行されない。従って、点火プラグ２２の中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の初回放電中に、例えば気流方向が急変するイレギュラーな現象が生じた場合には、その初回放電における放電維持時間Ｔｓ１に基づいて算出される気筒１２内の気流の流速が不正確になってしまう。

【0033】

この問題点に鑑み、第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置は、気筒１２（図４参照）内の気流の流速の算出精度を向上させることができるように構成されている。
具体的には、第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置では、図１３（Ｂ）に示すように、中心電極２２ａ（図４および図９参照）と接地電極２２ｂ（図４および図９参照）との間の放電電流の値が一定に維持される。その結果、図１３（Ａ）に示すように、初回放電の放電維持時間Ｔｓ１と、初回放電に引き続いて実行される２回目以降の放電（再放電）の放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３とが等しくなる。つまり、２回目以降の放電（再放電）の放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３と気筒１２内の気流の流速との相関が高くなる。
詳細には、第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置では、初回放電中に例えば気流方向が急変するイレギュラーな現象が生じた場合に、初回放電の放電維持時間Ｔｓ１に基づくのはなく、２回目以降の放電（再放電）の放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３に基づいて、気筒１２内の気流の流速が算出される。そのため、気筒１２内の気流の流速を算出するために初回放電の放電維持時間Ｔｓ１のみが用いられる場合よりも、気筒１２内の気流の流速の算出精度を向上させることができる。

【0034】

上述した効果を奏するために、第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置では、図１４に示すように、放電維持時間Ｔｓ１、Ｔｓ２、Ｔｓ３（図１３（Ａ）参照）に基づいて気筒１２（図４参照）内の気流の流速を算出する流速算出部７０が、制御装置（ＥＣＵ）９０に設けられている。また、点火プラグ２２の中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電電流（図１３（Ｂ）参照）を制御する放電電流制御部が、例えば制御装置９０と電流制御電源６０とによって構成されている。
さらに、１次コイル５０ａと２次コイル５０ｂとを有する点火コイル５０が設けられている。また、１次コイル５０ａに電圧を入力する電源５１が設けられている。１次コイル５０ａへの電圧の入力が、例えば制御装置９０から制御信号が入力されるトランジスタなどのようなスイッチ５２によって切り替えられる。
１次コイル５０ａを流れる電流が急激に減少すると、２次コイル５０ｂに誘導電圧が生じ、放電電流が接地電極２２ｂから中心電極２２ａに流れ、その電流がダイオード５６を介して２次コイル５０ｂに流れる。

【0035】

放電電流が接地電極２２ｂから中心電極２２ａに流れるとき、点火コイル５０の電磁エネルギーが消費されてしまうため、仮に電流制御電源６０が設けられていない場合には、図１２（Ｂ）に示すように、点火期間中、放電電流が低下し続けてしまい、その結果、図１２（Ａ）に示すように、再放電の放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３が初回放電の放電維持時間Ｔｓ１よりも短くなり、気筒１２（図４参照）内の気流の流速の算出に、再放電の放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３を用いることができなくなってしまう。

【0036】

そこで、第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置では、放電電流制御部として機能する電流制御電源６０および制御装置９０によって、図１３（Ｂ）に示すように、点火期間中、中心電極２２ａと接地電極２２ｂとの間の放電電流の値が一定に維持されるように、点火プラグ２２にエネルギーが重畳的に付加される。その結果、図１３（Ａ）に示すように、初回放電の放電維持時間Ｔｓ１と、初回放電に引き続いて実行される２回目以降の放電（再放電）の放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３とが等しくなる。
そのため、第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置では、初回放電の放電維持時間Ｔｓ１のみならず、２回目以降の放電（再放電）の放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３に基づいても、気筒１２内の気流の流速を算出することができる。

【0037】

上述したように、例えば気流方向が急変するイレギュラーな現象が初回放電中に生じる場合がある。
この点に鑑み、第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置では、図１４に示すように、初回放電の放電維持時間Ｔｓ１（図１３（Ａ）参照）に基づいて算出された気筒１２（図４参照）内の気流の流速が異常値であるか否かを判断する判断部８０が設けられている。さらに、初回放電の放電維持時間Ｔｓ１に基づいて算出された気筒１２内の気流の流速が異常値であると判断部８０によって判断されたときに、流速算出部７０が、２回目以降の放電（再放電）の放電維持時間Ｔｓ２、Ｔｓ３（図１３（Ａ）参照）に基づいて気筒１２内の気流の流速を算出する。

【0038】

第１の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置では、点火プラグ２２にエネルギーを付加的に供給し、図１３（Ｂ）に示すように点火期間中の放電電流の値を一定に維持するために、２次コイル５０ｂの側に配置された電流制御電源６０を有する放電電流制御部が設けられているが、第２の実施形態の内燃機関の気流の流速算出装置では、代わりに、点火プラグ２２にエネルギーを付加的に供給し、図１３（Ｂ）に示すように点火期間中の放電電流の値を一定に維持するために、昇圧装置（図示せず）によって１次コイル５０ａの側にエネルギーを付加したり、複数のコイル（図示せず）を別個に設けたりすることもできる。

【0039】

第３の実施形態では、上述した第１および第２の実施形態ならびに各例を適宜組み合わせることもできる。

【符号の説明】

【0040】

１０ 内燃機関
１１ 燃料噴射弁
１２ 気筒
１４ ピストン
１８ シリンダヘッド
１９ シリンダブロック
２０ 燃焼室
２２ 点火プラグ
２２ａ 中心電極
２２ｂ 接地電極
２４ 吸気通路
２６ 排気通路
２８ 吸気バルブ
３０ 排気バルブ
４０ 気流制御弁
５０ 点火コイル
５０ａ １次コイル
５０ｂ ２次コイル
５１ 電源
５２ スイッチ
５６ ダイオード
６０ 電流制御電源
７０ 流速算出部
８０ 判断部
９０ 制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】