JP2023183629A - 内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】希薄燃焼における失火を低減すると共に、点火装置の劣化を抑制することができる内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法を提供する。
【解決手段】内燃機関制御装置は、内燃機関の燃焼サイクルのうちの吸気行程において点火装置を制御して、混合気に着火するための主点火とは異なる予備点火を実施させる制御部を備える。制御部は、燃焼室内における混合気の流動様態に応じて、点火装置に出力する予備点火信号の点火周期及び周波数を決定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法に関する。

近年、自動車におけるガソリンエンジンは、燃費改善の要求が高まっている。これにより、内燃機関に対して超高ＥＧＲや超希薄燃焼の採用が検討されている。この場合に、混合気への着火性を確保する点火制御が必要となる。また、薄い混合気に対して安定して着火できるように、リーン耐性の向上が図る必要がある。その手段の一つとして、燃焼室に構成された点火プラグを事前に昇温する予備点火が有効である。予備点火は、燃料に着火しないタイミングで実施される。

予備点火の技術は、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１には、希薄燃焼に対する点火制御として、排気行程から吸気工程にかけて点火プラグにおいて複数の放電を実施する予備点火を行う内燃機関用点火装置及び車両用制御装置が開示されている。特許文献１に開示された内燃機関用点火装置は、混合気を燃焼させる主点火の前かつ、燃料噴射信号を出力する前に予備点火を終了する。

国際公開第２０１９／０８７７４８号

しかしながら、特許文献１に記載された車両用制御装置では、点火プラグの電極において多くの放電を行うため、電極の摩耗を促進して寿命低下を引き起こす。また、点火コイルに投入するエネルギーが増大するため、点火コイルが高温となり、点火装置の損傷や低寿命化を招く恐れがある。

本発明は、上記の問題点に鑑み、予備点火の実施によって希薄燃焼における失火を低減すると共に、点火装置の劣化を抑制することができる内燃機関制御装置及び内燃機関制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決し、本目的を達成するため、本発明の内燃機関制御装置は、燃焼室と、燃焼室内の混合気に着火するための火花を発生させる点火装置と、を備える内燃機関を制御する。内燃機関制御装置は、内燃機関の燃焼サイクルのうちの吸気行程において点火装置を制御して、混合気に着火するための主点火とは異なる予備点火を実施させる制御部を備える。制御部は、燃焼室内における混合気の流動様態に応じて、点火装置に出力する予備点火信号の点火周期及び周波数を決定する。

本発明によれば、希薄燃焼における失火を低減すると共に、点火装置の劣化を抑制することができる。

第１実施形態に係る内燃機関の基本構成例を示す図である。 第１実施形態に係る内燃機関制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。 第１実施形態に係る点火プラグ周辺の混合気の流速と予備点火信号の経時変化を示した図である。 第２実施形態に係る内燃機関制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。 第３実施形態に係る内燃機関制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。 第３実施形態に係る混合気の流動速度と吸気バルブリフトの関係を示す図である。 第４実施形態に係る内燃機関制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。 第５実施形態に係る内燃機関制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。

以下、実施の形態例にかかる内燃機関制御装置について説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。

＜第１実施形態＞
［内燃機関の構成］
まず、第１実施形態に係る内燃機関の構成について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の基本構成例を示す全体構成図である。

図１に示す内燃機関１は、単気筒でも複数気筒を有するものでもよいが、本実施形態では、４気筒を有する内燃機関１を例示して説明する。

図１に示すように、内燃機関１は、ピストン１０１と、シリンダ１０２と、シリンダヘッド１０３とを備えている。ピストン１０１には、コネクティングロッド１０４を介して、クランクシャフト１０５が接続されている。シリンダヘッド１０３と、ピストン１０１の冠面１０１Ｐと、シリンダ１０２の内壁１０２ａは、燃焼室１０６を形成する。

燃焼室１０６の直上には、点火装置１１０が配置されている。点火装置１１０は、点火プラグ１１１と、点火コイル１１２を有している。点火プラグ１１１は、電極１１３を有している。電極１１３は、混合気Ｍに着火するための火花を発生させる。

燃焼室１０６は、吸気ポート１２１と排気ポート１２２に連通している。燃焼室１０６と吸気ポート１２１には、吸気バルブ１２３が設けられている。吸気バルブ１２３は、燃焼室１０６の吸気ポート１２１側を開閉する。排気ポート１２２には、排気バルブ１２４が設けられている。排気バルブ１２４は、燃焼室１０６の排気ポート１２２側を開閉する。

吸気行程において吸気バルブ１２３が開くと、混合気Ｍは、吸気ポート１２１から燃焼室１０６に流れ込む。その後、混合気Ｍは、ピストン１０１により圧縮される。そして、適切なタイミングで点火コイル１１２に主点火信号が送られると、点火プラグ１１１の電極１１３が火花を発生させる。

電極１１３により火花が発生すると、燃焼室１０６内の混合気Ｍに着火し、燃焼室１０６内の混合気Ｍが燃焼する。これにより、燃焼室１０６内の圧力が上昇し、ピストン１０１が押し下げられる。その結果、コネクティングロッド１０４が変位して、クランクシャフト１０５が回転する。

近年、内燃機関の燃料燃焼時に発生する二酸化炭素の排出量低減のために、混合気Ｍにおける燃料量の割合を下げた状態で燃焼させる希薄燃焼が採用されている。希薄燃焼では、内燃機関１の冷機始動時や内燃機関１の温度が十分上昇していない場合に、混合気Ｍへの着火不良が生じて、燃焼途中で火炎が消失する失火が発生することがある。

失火が発生すると、燃焼速度の低下により炭化水素が発生するため、炭化水素の排出量が増大してしまう。したがって、希薄燃焼を実施する場合は、内燃機関１の始動時や低温時に、燃焼に対する改善策が必要となる。そこで、本実施形態では、主点火を行う前に、点火プラグ１１１を昇温させる予備点火を実施して、混合気Ｍの燃焼性を向上させる。

［内燃機関制御装置の構成］
次に、第１実施形態に係る内燃機関制御装置の構成について、図２を参照して説明する。
図２は、第１実施形態に係る内燃機関制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。

図２に示す内燃機関制御装置２０１（以下、「制御装置２０１」とする）は、例えば、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）である。制御装置２０１は、流速推定部２０２と、予備点火信号計算部２０３を有している。流速推定部２０２及び予備点火信号計算部２０３は、本発明に係る制御部に対応する。

流速推定部２０２は、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度を推定する。流速推定部２０２には、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度を推定するために必要な諸情報が入力される。諸情報は、センサ群２０４によって検出或いは測定される。諸情報としては、吸入空気量、クランク角、点火コイル１１２の二次電圧、バルブプロファイル、内燃機関１の回転数、吸気圧、冷却水温度などがある。

吸入空気量は、燃焼室１０６に流入する空気量である。吸入空気量は、吸気ポート１２１に設けられたエアフロセンサにより測定される。クランク角は、クランクシャフト１０５の回転角度である。クランク角は、クランク角センサにより検出される。クランク角センサは、クランクシャフト１０５に取り付けられたリングギア（不図示）の径方向外側に設けられている。

点火コイル１１２の二次電圧は、点火装置１１０の電気回路に設けられた電圧計により検出される。バルブプロファイルは、クランク角に応じた吸気バルブ１２３のリフト量を示すデータである。吸気圧は、吸気ポート１２１中のガスの圧力である。吸入圧は、吸気ポート１２１に設けられた圧力センサにより検出される。冷却水温度は、内燃機関１の冷却水の温度である。冷却水温度は、水温センサにより測定される。水温センサは、シリンダヘッド１０３のウォータジャケット（図示せず）に設けられている。

なお、流速推定部２０２に入力する諸情報としては、１つ前の燃焼サイクルにおける燃焼状態、吸気行程における点火プラグ１１１の周辺の混合気Ｍの流動状態に関する情報であってもよい。また、流速推定部２０２は、事前に行った数値計算や実験結果から作成したマップに基づいて、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度を推定してもよい。また、制御装置２０１は、過去の内燃機関１の運転データから、運転条件と混合気Ｍの流動速度の推定値を関連付けた学習結果またはマップを作成してもよい。

予備点火信号計算部２０３は、流速推定部２０２で推定した点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度に基づいて、予備点火の実施期間、予備点火の開始タイミング、予備点火の周期（以下、「点火周期」とする）、予備点火の回数（以下、「点火回数」とする）、予備点火に使用する電気エネルギーなどを計算する。予備点火信号計算部２０３は、例えば、点火プラグ周辺の混合気Ｍの流動速度が大きいとき、予備点火の周期を短くして、予備点火の電気エネルギーを小さくする。

予備点火信号計算部２０３は、計算した予備点火の実施期間、開始タイミング、点火周期、点火回数、電気エネルギーなどに応じて、ＯＮとＯＦＦを繰り返す予備点火信号（図３参照）を生成する。例えば、予備点火の周期を短くする場合は、予備点火信号の周期を短くする。また、予備点火に使用する電気エネルギーを小さくする場合は、予備点火信号のＯＮの回数（点火回数）を減らしたり、予備点火信号の周波数を高くしたりする。

予備点火信号計算部２０３は、生成した予備点火信号を点火コイル１１２に出力する。これにより、点火プラグ１１１の電極１１３に高電圧が印加され、予備点火信号に応じた複数の放電（予備点火）が実施される。

点火プラグ１１１の電極１１３に高電圧を印加すると、混合気Ｍ中には、オゾンなどの化学種が発生する。ところで、オゾンは、燃焼の安定性に寄与する。したがって、電極１１３に高電圧を印加して発生させたオゾンが、燃焼室１０６内に略均等に分布すると、希薄燃焼における燃焼の安定性が改善する。その結果、燃焼時に発生する失火や失火に伴う炭化水素の発生を抑制することができる。

電極１１３に高電圧を印加して発生させたオゾンなどの化学種は、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動に乗せることにより、燃焼室１０６内全体に拡散させることができる。本実施形態では、オゾンなどの化学種が良好に拡散できるタイミングと、そのときの混合気Ｍの流動速度に応じた点火周期及び周波数（使用する電気エネルギー）の予備点火信号を生成する。これにより、予備点火の回数と、予備点火に必要な電気エネルギーの低減を図ることができる。

［予備点火信号］
次に、混合気Ｍの流動状態に応じた予備点火信号について、図３を参照して説明する。
図３は、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度と予備点火信号の経時変化を示した図である。

図３に示すように、吸気工程３０１において、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流れは一定ではなく、常に変動している。特にＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）車では、内燃機関のみを搭載した車と比べて、始動時のモータリング速度が速いため、吸気工程における流速の変動が顕著となる。

吸気行程３０１は、高流速区間３０２と、低流速区間３０３とで構成される。高流速区間３０２は、例えば、吸気行程３０１における点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度の平均値３１０以上の区間として定義してよい。

高流速区間３０２は、相対的に混合気Ｍの流動速度が大きい。そのため、高流速区間３０２では、予備点火の放電により発生したオゾンなどの化学種を、より効果的に燃焼室１０６内に拡散させることができる。

一方、低流速区間３０３は、相対的に混合気Ｍの流動速度が小さい。そのため、低流速区間３０３では、オゾンなどの化学種が燃焼室１０６内に拡散され難い。その結果、低流速区間３０３における予備点火は、燃焼室１０６全体としての燃焼性の改善には至らず、効果が限定的なものとなる。

また，低流速区間３０３は、吸気工程３０１の後半であることが多いため、燃料が点火プラグ１１１に到達している場合がある。この場合に予備点火を行うと、点火プラグ１１１周辺の薄い混合気に着火して炭化水素が発生することがある。その結果、排気が悪化する恐れがある。

さらに、低流速区間３０３では、高流速区間３０２において行った予備点火の放電により発生したオゾンなどの化学種が、混合気Ｍの流動に乗って点火プラグ１１１周辺に再び戻ることがある。そこに放電が生じると、オゾンなどの化学種が別の化学種に変化して、予備点火の効果が低下する懸念がある。

したがって、高流速区間３０２において優先的に予備点火を実施するような予備点火信号３０４を生成することが望ましい。なお、低流速区間３０３では、点火回数及び電気エネルギーの総量が、高流速区間３０２での点火回数及び電気エネルギーの総量未満になるような予備点火信号３０５を生成してもよい。

また、高流速区間３０２から低流速区間３０３に至るまで予備点火信号を出力する場合は、混合気Ｍの流動速度や経過するクランク角などに応じて点火回数を減らしていくような予備点火信号３０６を生成してもよい。

ところで、予測した混合気Ｍの流動速度に応じて周波数（パルス幅）と点火周期を変更すると、放電路が伸長することによる再放電が起こらず、予備点火が安定する。そこで、混合気Ｍの流動速度に応じて、周波数と点火周期を変化させた予備点火信号３０７を生成してもよい。

高流速区間３０２において優先的に予備点火を実施すると、吸気行程３０１全域で予備点火を実施する場合に比べて点火回数及び使用する電気エネルギーを減らすことができる。これにより、点火プラグ１１１における電極１１３の摩耗を抑制することができると共に、点火コイル１１２の高温化を抑制することができる。その結果、点火装置１１０の劣化を抑制することができる。また、オゾンなどの化学種が効率的に燃焼室１０６内に行きわたるため、主点火時の燃焼性を改善することができる。

＜第２実施形態＞
［内燃機関制御装置の構成］
次に、第２実施形態に係る内燃機関制御装置の構成について、図４を参照して説明する。なお、第２実施形態に係る内燃機関は、第１実施形態に係る内燃機関１と同じである。
図４は、第２実施形態に係る内燃機関制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。

図４に示す内燃機関制御装置４０１（以下、「制御装置４０１」とする）は、例えば、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）である。制御装置４０１は、流速推定部４０２と、予備点火信号計算部４０３を有している。流速推定部４０２及び予備点火信号計算部４０３は、本発明に係る制御部に対応する。

流速推定部４０２は、放電路長計算部４２１と、流速計算部４２２を有している。放電路長計算部４２１には、１つ前の燃焼サイクルで実施した予備点火における点火コイル１１２の２次電圧（２次電圧の履歴４０４）が入力される。制御装置４０１は、２次電圧の履歴４０４を記憶する記憶部（不図示）を有している。

放電路長計算部４２１は、入力された２次電圧の履歴４０４から、点火プラグ１１１の電極１１３に形成された放電路の長さを計算する。放電路長計算部４２１は、２次電圧の値と放電路長さとを関連付けた式を用いて放電路の長さを計算する。放電路長計算部４２１は、計算結果である放電路長推定値を流速計算部４２２に出力する。

流速計算部４２２は、放電路長推定値から、１つ前の燃焼サイクルにおける点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度を計算する。流速計算部４２２は、放電路の長さと点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度とを関連付けた式を用いて混合気Ｍの流動速度を計算する。流速計算部４２２は、計算結果（流動速度）を予備点火信号計算部４０３に出力する。

予備点火信号計算部４０３は、流速区間判断部４３１と、予備点火信号生成部４３２を有する。流速区間判断部４３１は、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度から、吸気行程３０１を高流速区間３０２及び低流速区間３０３に分ける。予備点火信号計算部４０３は、高流速区間３０２及び低流速区間３０３を、予備点火信号生成部４３２に出力する。

予備点火信号生成部４３２は、高流速区間３０２及び低流速区間３０３に基づいて、予備点火の実施期間、開始タイミング、点火周期、点火回数、電気エネルギーなどを計算する。このとき、予備点火信号生成部４３２は、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度を考慮して、点火周期、点火回数、電気エネルギーなどなどを計算してもよい。

予備点火信号生成部４３２は、予備点火の実施期間、開始タイミング、点火周期、点火回数、電気エネルギーなどに応じて、予備点火信号を生成する。そして、予備点火信号生成部４３２は、生成した予備点火信号を点火コイル１１２に出力する。これにより、点火プラグ１１１の電極１１３に高電圧が印加され、予備点火信号に応じた複数の放電（予備点火）が実施される。

このように、第２実施形態では、１つ前の燃焼サイクルにおける点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度をフィードバックし、今回の燃焼サイクルにおける点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度を推定する。さらに、混合気Ｍの流動速度から高流速区間３０２を検知し、例えば、高流速区間３０２に予備点火を実施するための予備点火信号を生成する（図３の予備点火信号３０４参照）。

これにより、吸気行程３０１全域で予備点火を実施する場合よりも、点火回数及び使用する電気エネルギーを減らすことができる。そして、点火プラグ１１１における電極１１３の摩耗を抑制することができると共に、点火コイル１１２の高温化を抑制することができる。その結果、点火装置１１０の劣化を抑制することができる。また、オゾンなどの化学種が効率的に燃焼室１０６内に行きわたるため、主点火時の燃焼性を改善することができる。

＜第３実施形態＞
［内燃機関制御装置の構成］
次に、第３実施形態に係る内燃機関制御装置の構成について、図５及び図６を参照して説明する。なお、第３実施形態に係る内燃機関は、第１実施形態に係る内燃機関１と同じである。
図５は、第３実施形態に係る内燃機関制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。図６は、第３実施形態に係る混合気の流動速度と吸気バルブリフトの関係を示す図である。

図５に示す内燃機関制御装置５０１（以下、「制御装置５０１」とする）は、例えば、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）である。制御装置５０１は、流速推定部５０２と、予備点火信号計算部４０３を有している。予備点火信号計算部４０３は、第２実施形態と同じである。流速推定部５０２及び予備点火信号計算部４０３は、本発明に係る制御部に対応する。

流速推定部５０２には、バルブプロファイル５０４、クランク角５０５、回転数５０６、及び吸気圧５０７が入力される。第３実施形態に係る内燃機関システムは、内燃機関１の回転数５０６を計測する回転数計測部（不図示）と、吸気圧５０７を検出する圧力センサ（不図示）を備える。

また、第３実施形態に係る内燃機関システムは、バルブプロファイル５０４を更新するバルブタイミング制御部５０８と、クランク角５０５を検出するクランク角センサ５０９を備える。バルブタイミング制御部５０８は、例えば、ＶＴＣ（variable timing camshaft）機構に代表されるように、吸気バルブ１２３の開閉タイミングを変更するものである。バルブタイミング制御部５０８は、吸気バルブ１２３の開閉タイミングの変更時に、バルブプロファイル５０４を更新する。

流速推定部５０２は、バルブリフト計算部５２１と、流速計算部５２２を有する。バルブリフト計算部５２１には、バルブプロファイル５０４とクランク角５０５が入力される。バルブリフト計算部５２１は、バルブプロファイル５０４とクランク角５０５に基づいて、クランク角５０５に対する吸気バルブ１２３のバルブリフト量を算出する。バルブリフト計算部５２１は、算出したバルブリフト量を流速計算部５２２に出力する。

流速計算部５２２は、バルブリフト量と回転数５０６と吸気圧５０７から、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度を計算する。流速計算部５２２は、計算した混合気Ｍの流動速度を予備点火信号計算部４０３に出力する。予備点火信号計算部４０３の流速区間判断部４３１及び予備点火信号生成部４３２の処理は、第２実施形態と同じであるため、説明を省略する。

第３実施形態においても、高流速区間３０２において優先的に予備点火を実施する。これにより、吸気行程３０１全域で予備点火を実施する場合に比べて点火回数及び使用する電気エネルギーを減らすことができる。そして、点火プラグ１１１における電極１１３の摩耗を抑制することができると共に、点火コイル１１２の高温化を抑制することができる。その結果、点火装置１１０の劣化を抑制することができる。また、オゾンなどの化学種が効率的に燃焼室１０６内に行きわたるため、主点火時の燃焼性を改善することができる。

図６に示す吸気バルブ１２３の開弁開始時刻では、吸気圧５０７と燃焼室１０６内の圧力との差が大きいため、燃焼室１０６内に多くの混合気Ｍが流入、あるいはシリンダヘッド１０３側に混合気Ｍが逆流する。この時、点火プラグ１１１周辺を含む燃焼室１０６内の混合気Ｍの流動は強くなる。したがって、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度は大きくなる。

一方、吸気バルブ１２３の開弁終了時刻では、燃焼室１０６内の圧力と吸気圧が近い値になるため、燃焼室１０６内へのガスの流入が緩やかになる。これにより、点火プラグ１１１周辺を含む燃焼室１０６内の混合気Ｍの流動は弱くなる。したがって、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度は小さくなる。

そこで、流速区間判断部４３１が、吸気バルブ１２３が開き始める開弁開始のクランク角から吸気バルブ１２３が全開となる開弁終了のクランク角までの期間を、高流速区間３０２と定めるようにしてもよい。この場合は、バルブリフト計算部５２１が算出したバルブリフト量から、吸気バルブ１２３が開き始めるクランク角と、吸気バルブ１２３が全開となるクランク角を算出するクランク角計算部を設ける。これにより、流速区間判断部４３１は、高流速区間３０２を容易に決定することができる。

＜第４実施形態＞
［内燃機関制御装置の構成］
次に、第４実施形態に係る内燃機関制御装置の構成について、図７を参照して説明する。なお、第４実施形態に係る内燃機関は、第１実施形態に係る内燃機関１と同じである。
図７は、第４実施形態に係る内燃機関制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。

図７に示す内燃機関制御装置６０１（以下、「制御装置６０１」とする）は、例えば、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）である。制御装置６０１は、流速推定部６０２と、予備点火信号計算部４０３を有している。予備点火信号計算部４０３は、第２実施形態と同じである。流速推定部６０２及び予備点火信号計算部４０３は、本発明に係る制御部に対応する。

流速推定部６０２には、流速マップ６０４、及び内燃機関１の運転条件６０５が入力される。運転条件６０５には、例えば、内燃機関１の回転数、吸気圧、スロットルの開度、冷却水温度、吸入空気量、燃料噴射量、クランク角などがある。

第４実施形態に係る内燃機関システムは、内燃機関１の運転に従って流速マップ６０４を更新するマップ更新部６１１と、運転条件６０５を取得する運転条件取得部６１２を備える。運転条件取得部６１２としては、例えば、スロットルの開度を検出するスロットル開度センサ、燃料噴射量を計測する燃料流量計などがある。

流速マップ６０４は、予め設定された運転条件６０５と点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度を関連付けている。流速マップ６０４は、例えば、３次元流体シミュレーションなどにより、運転条件６０５に対する点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度の経時変化を取得したものを用いる。また、流速マップ６０４は、運転条件６０５に対する高流速区間３０２を規定したものを用いてもよい。

流速推定部６０２は、マップ保持部６２１と、マップ選定部６２２と、流速計算部６２３を有する。マップ保持部６２１は、供給された複数の流速マップ６０４を保持する（記憶する）。マップ選定部６２２は、マップ保持部６２１に保持された複数の流速マップ６０４の中から、そのときの運転条件６０５に応じた流速マップ６０４を選定する。

流速計算部６２３は、マップ選定部６２２により選定された流速マップ６０４から、点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度を決定する。流速計算部６２３は、決定した点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動速度を予備点火信号計算部４０３に出力する。予備点火信号計算部４０３の流速区間判断部４３１及び予備点火信号生成部４３２の処理は、第２実施形態と同じであるため、説明を省略する。

第４実施形態においても、高流速区間３０２において優先的に予備点火を実施する。これにより、吸気行程３０１全域で予備点火を実施する場合に比べて点火回数及び使用する電気エネルギーを減らすことができる。そして、点火プラグ１１１における電極１１３の摩耗を抑制することができると共に、点火コイル１１２の高温化を抑制することができる。その結果、点火装置１１０の劣化を抑制することができる。また、オゾンなどの化学種が効率的に燃焼室１０６内に行きわたるため、主点火時の混合気Ｍの燃焼性を改善することができる。

＜第５実施形態＞
［内燃機関制御装置の構成］
次に、第５実施形態に係る内燃機関制御装置の構成について、図８を参照して説明する。なお、第５実施形態に係る複数の内燃機関は、第１実施形態に係る内燃機関１と同じである。
図８は、第５実施形態に係る内燃機関制御装置の機能構成を説明する機能ブロック図である。

図８に示すように、第５実施形態に係る内燃機関システムは、複数の内燃機関１Ａ，１Ｂ，…１Ｘを備えている。複数の内燃機関１Ａ，１Ｂ，…１Ｘは、点火プラグ１１１Ａ，１１１Ｂ，…１１１Ｘと、点火コイル１１２Ａ，１１２Ｂ，…１１２Ｘをそれぞれ有している。

図８に示す内燃機関制御装置７０１（以下、「制御装置７０１」とする）は、例えば、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）である。制御装置７０１は、流速推定部７０２と、予備点火信号計算部７０３を有している。流速推定部７０２及び予備点火信号計算部７０３は、本発明に係る制御部に対応する。

流速推定部７０２は、各点火プラグ１１１Ａ，１１１Ｂ，…１１１Ｘ周辺の混合気Ｍの流動速度を推定する。流速推定部７０２には、各点火プラグ１１１Ａ，１１１Ｂ，…１１１Ｘ周辺の混合気Ｍの流動速度を推定するために必要な諸情報が入力される。諸情報は、センサ群７０４によって検出或いは測定される。諸情報としては、各内燃機関１Ａ，１Ｂ，…１Ｘに関する、吸入空気量、クランク角、点火コイル１１２Ａ，１１２Ｂ，…１１２Ｘの二次電圧、バルブプロファイル、内燃機関１の回転数、吸気圧、冷却水温度などがある。

予備点火信号計算部７０３は、各点火プラグ１１１Ａ，１１１Ｂ，…１１１Ｘ周辺の混合気Ｍの流動速度に基づいて、予備点火の実施期間、開始タイミング、点火周期、点火回数、電気エネルギーなどを点火装置ごとに計算する。そして、予備点火信号計算部７０３は、計算した予備点火の実施期間、開始タイミング、点火周期、点火回数、電気エネルギーなどに応じて、点火装置ごとに予備点火信号を生成する。

予備点火信号計算部７０３は、生成した予備点火信号を点火コイル１１２Ａ，１１２Ｂ，…１１２Ｘに出力する。これにより、点火プラグ１１１Ａ，１１１Ｂ，…１１１Ｘのそれぞれの電極に高電圧が印加され、予備点火信号に応じた複数の放電（予備点火）が実施される。

各内燃機関１Ａ，１Ｂ，…１Ｘの燃焼室における混合器Ｍの流動様態は、バルブタイミングや吸気圧のブレ、点火プラグ１１１Ａ，１１１Ｂ，…１１１Ｘの向きなどに影響される。その結果、各内燃機関１Ａ，１Ｂ，…１Ｘの燃焼室における混合器Ｍの流動様態は、それぞれ異なる。

そこで、予備点火信号計算部７０３は、各内燃機関１Ａ、１Ｂ…１Ｘの燃焼室における混合器Ｍの流動様態に応じて、最適な予備点火の実施期間、開始タイミング、点火周期、点火回数、電気エネルギーなどを決定する。そして、予備点火信号計算部７０３は、内燃機関１Ａ、１Ｂ…１Ｘごとに予備点火信号を生成する。これにより、各内燃機関１Ａ、１Ｂ…１Ｘごとに失火回数、炭化水素の発生を低減することができる。

また、各内燃機関１Ａ、１Ｂ…１Ｘごとに予備点火の点火回数及び使用する電気エネルギー減らすことができる。そして、点火プラグ１１１Ａ，１１１Ｂ，…１１１Ｘのそれぞれの電極の摩耗を抑制することができると共に、点火コイル１１２Ａ，１１２Ｂ，…１１２Ｘの高温化を抑制することができる。その結果、各内燃機関１Ａ，１Ｂ，…１Ｘの点火装置の劣化を抑制することができる。また、オゾンなどの化学種が効率的に各内燃機関１Ａ、１Ｂ…１Ｘの燃焼室内に行きわたるため、各内燃機関１Ａ、１Ｂ…１Ｘにおける主点火時の混合気Ｍの燃焼性を改善することができる。

＜まとめ＞
上述した第１実施形態に係る内燃機関制御装置２０１は、内燃機関１の燃焼サイクルのうちの吸気行程において点火装置１１０を制御して、混合気Ｍに着火するための主点火とは異なる予備点火を実施させる流速推定部２０２及び予備点火信号計算部２０３（制御部）を備える。予備点火信号計算部２０３は、燃焼室１０６内における混合気Ｍの流動様態に応じて、点火装置１１０に出力する予備点火信号の点火周期及び周波数を決定する。
これにより、燃焼室１０６内における混合気Ｍの流動様態に応じて、オゾンなどの化学種が良好に拡散できるタイミングで予備点火を実施させることができる。そして、予備点火の回数と、それに必要な電気エネルギーの低減を図ることができる。したがって、点火プラグ１１１における電極１１３の摩耗を抑制したり、点火コイル１１２の高温化を抑制したりすることができる。その結果、点火装置１１０の劣化を抑制することができる。また、オゾンなどの化学種が効率的に燃焼室１０６内に行きわたるため、主点火時の混合気Ｍの燃焼性を改善することができる。

上述した第２実施形態に係る予備点火信号計算部４０３（制御部）は、吸気行程３０１を、混合気Ｍの流動速度が所定値以上である高流速区間３０２と、混合気の流動速度が所定値未満である低流速区間３０３に分ける。そして、予備点火信号計算部４０３は、高流速区間３０２において優先的に予備点火を実施させる。
これにより、予備点火を優先的に実施させる時期を容易に決定することができる。そして、予備点火を実施することで、オゾンなどの化学種が良好に拡散させることができる。

上述した第２実施形態に係る予備点火信号計算部４０３（制御部）は、高流速区間３０２に実施する予備点火の点火回数を、低流速区間３０３に実施する予備点火の点火回数よりも多くする。
これにより、オゾンなどの化学種が良好に拡散できるタイミングで、多くの放電を実施させることができる。その結果、オゾンなどの化学種が良好に拡散できるタイミングで、オゾンなどの化学種を多く発生させることができる。

上述した第２実施形態に係る予備点火信号計算部４０３（制御部）は、高流速区間３０２に実施する予備点火で使用する電気エネルギーの総量を、低流速区間３０３に実施する予備点火で使用する電気エネルギーの総量よりも多くする。
これにより、オゾンなどの化学種が良好に拡散できるタイミング以外で使用する電気エネルギーを抑制することができる。その結果、予備点火を実施する際に電気エネルギーを効率よく使用することができる。

上述した第２実施形態に係る流速推定部４０２（制御部）は、点火プラグ１１１に通電時の点火コイル１１２の２次電圧の値に基づいて、燃焼室１０６内における点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動様態を推定する。
これにより、燃焼室１０６内に混合気Ｍの流動様態を検出する検出部を設ける必要が無い。その結果、内燃機関１の構成を変更しなくても、流速推定部４０２（制御部）が、燃焼室１０６内における点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動様態を容易に把握することができる。

上述した第３実施形態に係る流速推定部５０２（制御部）は、吸気バルブ１２３のバルブプロファイルから、燃焼室１０６内おける混合気Ｍの流動様態を推定する。
これにより、燃焼室１０６内に混合気Ｍの流動様態を検出する検出部を設ける必要が無い。その結果、内燃機関１の構成を変更しなくても、流速推定部５０２（制御部）が、燃焼室１０６内における点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動様態を容易に把握することができる。

上述した第３実施形態に係る流速推定部５０２（制御部）は、吸気バルブ１２３のバルブプロファイルにおける開弁開始から開弁終了までの間を、混合気Ｍの流動速度が所定値以上である高流速区間３０２に設定する。そして、予備点火信号計算部４０３（制御部）は、高流速区間３０２において優先的に予備点火を実施させる。
これにより、予備点火を優先的に実施させる時期を容易に決定することができる。そして、予備点火を実施することで、オゾンなどの化学種が良好に拡散させることができる。

上述した第４実施形態に係る流速推定部５０２（制御部）は、内燃機関１の運転条件６０５と燃焼室１０６内の混合気Ｍの流動様態とを対応付けた流速マップ６０４（マップ）を用いて、現在の運転条件６０５に対応する燃焼室１０６内の混合気Ｍの流動様態を推定する。
これにより、燃焼室１０６内に混合気Ｍの流動様態を検出する検出部を設ける必要が無い。その結果、内燃機関１の構成を変更しなくても、流速推定部５０２（制御部）が、燃焼室１０６内における点火プラグ１１１周辺の混合気Ｍの流動様態を容易に把握することができる。

上述した第５実施形態に係る内燃機関は、複数設けられている。そして、予備点火信号計算部７０３（制御部）は、各燃焼室内の混合気Ｍの流動様態に応じて、各点火装置に出力する予備点火信号の点火周期及び周波数を決定する。
これにより、各内燃機関１Ａ、１Ｂ…１Ｘごとに失火回数、炭化水素の発生を低減することができる。また、各内燃機関１Ａ，１Ｂ，…１Ｘの点火装置の劣化を抑制することができる。さらに、オゾンなどの化学種が効率的に各内燃機関１Ａ、１Ｂ…１Ｘの燃焼室内に行きわたるため、各内燃機関１Ａ、１Ｂ…１Ｘにおける主点火時の混合気Ｍの燃焼性を改善することができる。

本実施形態に係る内燃機関制御方法は、流速推定部２０２及び予備点火信号計算部２０３（制御部）が、内燃機関１の燃焼サイクルのうちの吸気行程において点火装置１１０を制御して、混合気Ｍに着火するための主点火とは異なる予備点火を実施させる。予備点火を実施する場合は、流速推定部２０２が、燃焼室１０６内における混合気Ｍの流動様態を推定する。そして、予備点火信号計算部２０３が、流動様態に応じて、点火装置１１０に出力する予備点火信号の点火周期及び周波数を決定する。
これにより、燃焼室１０６内における混合気Ｍの流動様態に応じて、オゾンなどの化学種が良好に拡散できるタイミングで予備点火を実施させることができる。そして、予備点火の回数と、それに必要な電気エネルギーの低減を図ることができる。したがって、点火プラグ１１１における電極１１３の摩耗を抑制したり、点火コイル１１２の高温化を抑制したりすることができる。その結果、点火装置１１０の劣化を抑制することができる。また、オゾンなどの化学種が効率的に燃焼室１０６内に行きわたるため、主点火時の混合気Ｍの燃焼性を改善することができる。

本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。

また、上述した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｘ…内燃機関、 １０１…ピストン、 １０２…シリンダ、 １０３…シリンダヘッド、 １０４…コネクティングロッド、 １０５…クランクシャフト、 １０６…燃焼室、 １１０…点火装置、 １１１，１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｘ…点火プラグ、 １１２，１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｘ…点火コイル、 １１３…電極、 １２１…吸気ポート、 １２２…排気ポート、 １２３…吸気バルブ、 １２４…排気バルブ、 ２０１，４０１，５０１，６０１，７０１…制御装置（内燃機関制御装置）、 ２０２，４０２，５０２，６０２，７０２…流速推定部、 ２０３，４０３，７０３…予備点火信号計算部、 ２０４，７０４…センサ群、 ３０１…吸気行程、 ３０２…高流速区間、 ３０３…低流速区間、 ３０４，３０５，３０６，３０７…予備点火信号、 ３１０…平均値、 ４０４…２次電圧の履歴、 ４２１…放電路長計算部、 ４２２，５２２，６２３…流速計算部、 ４３１…流速区間判断部、 ４３２…予備点火信号生成部、 ５０４…バルブプロファイル、 ５０５…クランク角、 ５０６…回転数、 ５０７…吸気圧、 ５０８…バルブタイミング制御部、 ５０９…クランク角センサ、 ５２１…バルブリフト計算部、 ６０４…流速マップ、 ６０５…運転条件、 ６１１…マップ更新部、 ６１２…運転条件取得部、 ６２１…マップ保持部、 ６２２…マップ選定部

Claims (10)

1. 燃焼室と、前記燃焼室内の混合気に着火するための火花を発生させる点火装置と、を備える内燃機関を制御する内燃機関制御装置であって、
   前記内燃機関の燃焼サイクルのうちの吸気行程において前記点火装置を制御して、前記混合気に着火するための主点火とは異なる予備点火を実施させる制御部を備え、
   前記制御部は、前記燃焼室内における混合気の流動様態に応じて、前記点火装置に出力する予備点火信号の点火周期及び周波数を決定する
   内燃機関制御装置。
2. 前記制御部は、前記吸気行程を、前記混合気の流動速度が所定値以上である高流速区間と、前記混合気の流動速度が所定値未満である低流速区間に分けて、前記高流速区間において優先的に前記予備点火を実施させる
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
3. 前記制御部は、前記高流速区間に実施する前記予備点火の点火回数を、前記低流速区間に実施する前記予備点火の点火回数よりも多くする
   請求項２に記載の内燃機関制御装置。
4. 前記制御部は、前記高流速区間に実施する前記予備点火で使用する電気エネルギーの総量を、前記低流速区間に実施する前記予備点火で使用する電気エネルギーの総量よりも多くする
   請求項２に記載の内燃機関制御装置。
5. 前記点火装置は、前記燃焼室内に配置される点火プラグと、前記点火プラグに接続された点火コイルと、を有し、
   前記制御部は、前記点火プラグに通電時の前記点火コイルの２次電圧の値に基づいて、前記燃焼室内における前記点火プラグ周辺の前記混合気の流動様態を推定する
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
6. 前記内燃機関は、前記燃焼室に吸入される空気が通る吸入ポートと、前記吸入ポートに設けられた吸気バルブと、を有し、
   前記制御部は、前記吸気バルブのバルブプロファイルから、前記燃焼室内おける前記混合気の流動様態を推定する
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
7. 前記制御部は、前記吸気バルブのバルブプロファイルにおける開弁開始から開弁終了までの間を、前記混合気の流動速度が所定値以上である高流速区間に設定し、当該高流速区間において優先的に前記予備点火を実施させる
   請求項６に記載の内燃機関制御装置。
8. 前記制御部は、前記内燃機関の運転条件と前記燃焼室内の前記混合気の流動様態とを対応付けたマップを用いて、現在の運転条件に対応する前記燃焼室内の前記混合気の流動様態を推定する
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
9. 前記内燃機関は、複数設けられており、
   前記制御部は、各燃焼室内の混合気の流動様態に応じて、各点火装置に出力する予備点火信号の点火周期及び周波数を決定する
   請求項１に記載の内燃機関制御装置。
10. 燃焼室と、前記燃焼室内の混合気に着火するための火花を発生させる点火装置と、を備える内燃機関を制御する内燃機関制御方法であって、
    制御部は、前記内燃機関の燃焼サイクルのうちの吸気行程において前記点火装置を制御して、前記混合気に着火するための主点火とは異なる予備点火を実施させ、
    前記予備点火を実施する場合に、前記燃焼室内における混合気の流動様態を推定し、推定した流動様態に応じて、前記点火装置に出力する予備点火信号の点火周期及び周波数を決定する
    内燃機関制御方法。

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