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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023147398
(43)【公開日】2023-10-13
(54)【発明の名称】内燃機関の制御装置
(51)【国際特許分類】
   F02P 3/045 20060101AFI20231005BHJP
   F02P 3/05 20060101ALI20231005BHJP
【FI】
F02P3/045 303
F02P3/05 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022054869
(22)【出願日】2022-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000002967
【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100085338
【弁理士】
【氏名又は名称】赤澤 一博
(74)【代理人】
【識別番号】100148910
【弁理士】
【氏名又は名称】宮澤 岳志
(72)【発明者】
【氏名】山下 翔平
【テーマコード(参考)】
3G019
【Fターム(参考)】
3G019AA05
3G019AA07
3G019BA01
3G019EA17
3G019EB06
(57)【要約】
【課題】火花点火式内燃機関において、エネルギの浪費を可及的に避けつつ、混合気を確実に着火燃焼させられるようにする。
【解決手段】点火コイル14の一次側コイル141に通電しその通電を遮断することで二次側コイル142に誘起される高電圧を点火プラグ12の電極に印加して火花放電を惹起する火花点火式内燃機関であって、電源16電圧を昇圧した上で前記一次側コイル141に印加する電圧コンバータ18と、前記二次側コイル142から前記点火プラグ12の電極に印加される電流または電圧の大きさを計測するセンサ17と、前記センサ17を介して計測した電流または電圧の推移に基づいて前記電圧コンバータ18から前記一次側コイル141に印加する電圧の大きさを増減調整する制御部00とを具備する火花点火式内燃機関を構成した。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
点火コイルの一次側コイルに通電しその通電を遮断することで二次側コイルに誘起される高電圧を点火プラグの電極に印加して火花放電を惹起する火花点火式内燃機関であって、
電源電圧を昇圧した上で前記一次側コイルに印加する電圧コンバータと、
前記二次側コイルから前記点火プラグの電極に印加される電流または電圧の大きさを計測するセンサと、
前記センサを介して計測した電流または電圧の推移に基づいて前記電圧コンバータから前記一次側コイルに印加する電圧の大きさを増減調整する制御部と
を具備する火花点火式内燃機関。
【請求項2】
前記制御部は、火花放電開始後の所定の評価期間中に前記二次側コイルから前記点火プラグの電極に印加される電流または電圧の大きさが閾値を下回ったことを条件として、次回以降の点火機会に前記電圧コンバータから前記一次側コイルに印加する電圧をそれまでよりも増大させる請求項1記載の火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、車両等に動力源として搭載される火花点火式内燃機関に関する。
【背景技術】
【0002】
火花点火式内燃機関における、気筒に充填された混合気に着火するための点火プラグは、点火コイルにて発生する誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で絶縁破壊による放電を惹起する。
【0003】
点火コイルに通電する電気回路上には、半導体スイッチング素子を有するイグナイタが設けられている。イグナイタの半導体スイッチを点弧する(ON状態(導通状態)とする)と、点火コイルの一次側コイルに電流が流れる。一次側コイルを流れる一次電流は、半導体スイッチを点弧している間逓増する。そして、然るべき火花点火のタイミングにて半導体スイッチを消弧する(OFF状態(非導通状態)とする)と、一次電流が遮断され、その瞬間の自己誘導作用により点火コイルの一次側コイルに高電圧が発生する。さすれば、一次側コイルと磁気回路及び磁束を共有する二次側コイルに、さらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグの中心電極に印加されることにより、中心電極と接地電極との間に放電が発生する(下記特許文献を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2019-078268号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近時、燃費性能の一層の向上を目論み、燃料噴射量を削減し空燃比リーンの混合気を燃焼させて内燃機関をファイアリング運転する、いわゆる「リーンバーン」が試みられている。空燃比リーンの混合気は、ストイキオメトリの混合気と比較して着火燃焼しにくい。そのような混合気に確実に点火するためには、点火コイルから点火プラグに与える電気エネルギをより増大させることが求められる。
【0006】
とは言え、単純に点火コイルに印加する電圧を高く設定するだけでは、不必要なエネルギの浪費を招く可能性がある。加えて、点火コイルやイグナイタを含む火花点火装置に対する熱害も無視できない。
【0007】
リーンバーンに限らず、内燃機関の気筒内では、一旦点火プラグの中心電極と接地電極との間に放電が発生したにもかかわらず、強い筒内流動(例えば、気筒の吸気ポート側から排気ポート側へと向かうタンブル流)によって放電路が切断される「吹き消え」が起こることがある(これは、火炎が消える失火とは異なる)。火花放電が吹き消えたとしても、点火コイルにある程度以上の電気エネルギが残留していれば、再度点火プラグの電極間で放電が発生する。また、吹き消えが起こったとしても、既に火炎核が十分な大きさの火炎まで成長していれば、その燃え広がりが失われることはない。
【0008】
だが、火花点火の直後の時期に吹き消えが起こった場合には、混合気に着火できないおそれがある。
【0009】
本発明は、火花点火式内燃機関において、エネルギの浪費を可及的に避けつつ、混合気を確実に着火燃焼させられるようにすることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明では、点火コイルの一次側コイルに通電しその通電を遮断することで二次側コイルに誘起される高電圧を点火プラグの電極に印加して火花放電を惹起する火花点火式内燃機関であって、電源電圧を昇圧した上で前記一次側コイルに印加する電圧コンバータと、前記二次側コイルから前記点火プラグの電極に印加される電流または電圧の大きさを計測するセンサと、前記センサを介して計測した電流または電圧の推移に基づいて前記電圧コンバータから前記一次側コイルに印加する電圧の大きさを増減調整する制御部とを具備する火花点火式内燃機関を構成した。
【0011】
特に、前記制御部は、火花放電開始後の所定の評価期間中に前記二次側コイルから前記点火プラグの電極に印加される電流または電圧の大きさが閾値を下回ったことを条件として、次回以降の点火機会に前記電圧コンバータから前記一次側コイルに印加する電圧をそれまでよりも増大させる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、火花点火式内燃機関において、エネルギの浪費を可及的に避けつつ、混合気を確実に着火燃焼させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御部の概要を示す図。
図2】同実施形態の内燃機関の火花点火装置の回路図。
図3】同実施形態の内燃機関の制御部がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。
図4】同実施形態の制御部が参照する二次電流または二次電圧の波形を例示するタイミング図。
図5】同実施形態の制御部が参照する二次電流または二次電圧の波形を例示するタイミング図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。本実施形態の火花点火式内燃機関は、ポート噴射型の4ストロークレシプロエンジンであり、複数の気筒1(例えば、三気筒エンジン。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の吸気バルブよりも上流、各気筒1に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ11を設けている。
【0015】
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、本実施形態の内燃機関の火花点火装置を示す。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。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。
【0016】
点火コイル14は、一次側コイル141と二次側コイル142とが対をなすものである。その一次側コイル141は、イグナイタ13を介して車載の蓄電装置16に接続する。イグナイタ13を構成する半導体スイッチは、例えばパワートランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等である。電源である蓄電装置16は、バッテリ(鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素バッテリ、その他)やキャパシタ等である。一次側コイル141と二次側コイル142との間に介在するノイズ防止用のダイオード15は、二次側142から一次側141への逆流を防ぐ。
【0017】
点火コイル14に付設したイグナイタ13が、電子制御装置(Electronic Control Unit)0からの点火信号iを受けると、まずその半導体スイッチ13が点弧して、蓄電装置16から供給される直流電圧を点火コイル14の一次側コイル141に印加し、一次側コイル141への通電を開始する。蓄電装置16及び一次側コイル141を含む一次側の電気回路をRL直列回路と仮定すると、t=0時点にて直流電圧Eを印加したときに一次側コイル141を流れる一次電流I(t)は、
I(t)≒{1-e-(R/L)t}E/R
となる。即ち、過渡現象として一次電流I(t)は逓増する(が、通電の開始からある程度以上の時間が経過するとその増加の速さは衰え、最終的に一次電流I(t)はE/Rに飽和することになる)。
【0018】
一次電流が必要十分に大きくなった状態で、ECU0は、気筒1に充填された混合気への点火タイミングに合わせて半導体スイッチ13を消弧し、以て一次側コイル141への通電を遮断する。すると、自己誘導作用が起こり、一次側コイル141に高電圧が発生する。そして、点火コイル14の一次側コイル141と二次側コイル142とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側コイル142にさらに高い誘導電圧が発生する。その高い誘導電圧が点火プラグ12の中心電極に印加されて、中心電極と接地電極との間で絶縁破壊による放電が起こる。
【0019】
なお、本実施形態では、蓄電装置16と点火コイル14の一次側コイル141との間に、電圧コンバータであるDC/DCコンバータ18を介設している。DC/DCコンバータ18は、蓄電装置16の端子電圧を昇圧した上で一次側コイル141に印加する。例えば、蓄電装置16が出力する12Vの電圧を、14Vないし45Vに昇圧して一次側コイル14に印加することができる。DC/DCコンバータ18の出力電圧の大きさは、DSP(Digital Signal Processor)00により制御する。DSP00は、ECU0に内蔵していてもよく、ECU0とは別体でECU0に接続していてもよいが、何れにせよECU0とともに本実施形態における制御部を構成する。
【0020】
二次側コイル142と点火プラグ12との間には、当該点火プラグ12の電極に印加される電流(または、電圧)の大きさを計測するための電流センサ(または、電圧センサ)17を設けている。
【0021】
点火プラグ12、イグナイタ13、点火コイル14及びセンサ17は、各気筒1に個別のものであり、内燃機関の気筒数と同数存在する。一方、蓄電装置16、ECU0、DSP00及びDC/DCコンバータ18は、各気筒1で共用する共通のものであって、気筒数によらず一基ずつ存在する。
【0022】
吸気を気筒1に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設している。
【0023】
排気を気筒1から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ことで生じる排気を各気筒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を配設している。
【0024】
排気ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation)装置2は、排気通路4と吸気通路3とを連通する外部EGR通路21と、EGR通路21上に設けたEGRクーラ22と、EGR通路21を開閉し当該EGR通路21を流れるEGRガスの流量を制御するEGRバルブ23とを要素とする。EGR通路21の入口は、排気通路4における触媒41の下流の所定箇所に接続している。EGR通路21の出口は、吸気通路3におけるスロットルバルブ32の下流の所定箇所(特に、サージタンク33または吸気マニホルド34)に接続している。
【0025】
内燃機関の運転制御を司るECU0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。ECU0は、複数基のECUやコントローラ等が、CAN(Controller Area Network)等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。
【0026】
ECU0の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クランク角センサから出力されるクランク角信号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、要求されるエンジン負荷率またはエンジントルク)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、内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサから出力される冷却水温信号d、気筒1に連なる吸気通路3(特に、サージタンク33またはサージタンク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、内燃機関1の気筒11を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出する振動式のノックセンサ13から出力される振動信号f、吸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、気筒1から排出され排気通路4を流れるガスの空燃比を検出する空燃比センサ(リニアA/FセンサまたはO2センサ)から出力される空燃比信号h、気筒1の点火プラグ12の電極に印加される電流(または、電圧)の大きさを検出するセンサ17から出力される二次電流(または、二次電圧)信号o等が入力される。
【0027】
ECU0の出力インタフェースからは、火花点火装置のイグナイタに対して点火信号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、EGRバルブ23に対して開度操作信号l、DC/Dコンバータ18に対して出力電圧の制御信号m等を出力する。
【0028】
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、気筒1に吸入される空気量に見合った要求燃料噴射量、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(一度の燃焼に対する火花点火の回数を含む)、点火コイル14への印加電圧、要求EGR率(または、EGRガス量)等といった各種運転パラメータを決定する。ECU0は、運転パラメータに対応した各種制御信号i、j、k、l、mを出力インタフェースを介して印加する。
【0029】
図3に示すように、本実施形態の制御部は、各気筒1における混合気への火花点火に際して点火プラグ12の電極を流れる二次電流の推移を参照して、点火プラグ12の電極間で惹起された放電が不当に吹き消えたか否かを判定する(ステップS1)。
【0030】
そして、放電が不当に吹き消えたと判定した場合には、同じ気筒1の次回以降の火花点火機会において、DC/DCコンバータ18から点火コイル14の一次側コイル141に印加する一次電圧を、これまでよりも増圧する(ステップS2)。さすれば、同じ気筒1の次回以降の火花点火機会において、より一層確実に混合気を着火燃焼させることが可能となる。
【0031】
翻って、放電が不当に吹き消えなかったと判定した場合には、同じ気筒1の次回以降の火花点火機会において、DC/DCコンバータ18から点火コイル14の一次側コイル141に印加する一次電圧を、これまでよりも減圧する(ステップS3)。さすれば、筒内流動が強くないような状況下で、混合気の着火燃焼のために不必要に電気エネルギを浪費することを回避できる。
【0032】
ステップS1に関して補足する。センサ17が、非接触式の電流センサであるとすると、その出力信号(電圧)oは、図4に例示するような波形となる。図4中、実線は火花放電が不当に吹き消えなかった場合の出力信号oを表し、破線は火花放電が不当に吹き消えた場合を表している。本実施形態の制御部は、点火プラグ12における火花放電開始後の所定の評価期間T中に、二次側コイル142から点火プラグ12の電極に印加される二次電流(または、二次電圧)の大きさが閾値を下回ったことを条件として、放電が不当に吹き消えたと判定する。評価期間Tは、火花放電開始のタイミングから一定の時間区間、または一定のクランク角度の区間に設定する。なお、火花放電開始直後は、必ずしも評価期間Tに含めない。
【0033】
センサ17が、二次側コイル142と点火プラグ12との間に挿入したシャント抵抗の両端間電圧を検出するものであるとすると、その出力信号(電圧)oは、図5に例示するような波形となる。図5中、実線は火花放電が不当に吹き消えなかった場合の出力信号oを表し、破線は火花放電が不当に吹き消えた場合を表している。なお、図4と異なり、下方ほど二次電流(及び、二次電圧)が大きい。火花放電開始後の所定の評価期間T中に、二次側コイル142から点火プラグ12の電極に印加される二次電流(または、二次電圧)の大きさが閾値を下回ったことを条件として、放電が不当に吹き消えたと判定することは言うまでもない。
【0034】
ステップS2またはS3にて、DC/DCコンバータ18から一次側コイル141に印加する一次電圧の大きさは、DSP00がPWM(Pulse Width Modulation)制御する。DSP00からDC/DCコンバータに与える制御信号mのDUTY比を大きくするほど、DC/DCコンバータ18が出力する電圧が高くなり、一次側コイル141に印加される電圧が高くなる。ひいては、二次側コイル142に印加される電圧が高くなり、二次側コイル142から点火プラグ12に与えられる電気エネルギが大きくなる。
【0035】
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、ステップS2にて、ある気筒1での火花点火のための放電が不当に吹き消えたと判定した(評価期間T中に二次側コイル142から点火プラグ12の電極に印加される二次電流(または、二次電圧)の大きさが閾値を下回った)累積の回数が多くなるほど、同じ気筒1の次回以降の火花点火機会において一次側コイル141に印加する一次電圧を大きくする(または、次回以降の火花点火機会において印加する一次電圧を増圧する幅を大きくとる)ことが考えられる。
【0036】
その他、各部の具体的な構成や処理の手順等は、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。
【符号の説明】
【0037】
0、00…制御部(ECU、DSP)
1…気筒
12…点火プラグ
13…イグナイタ
14…点火コイル
141…一次側コイル
142…二次側コイル
16…電源(蓄電装置)
17…センサ
18…電圧コンバータ(DC/DCコンバータ)
b…クランク角信号
i…点火信号
m…DC/DCコンバータの出力電圧の制御信号
o…電流センサの出力信号
図1
図2
図3
図4
図5