JP5058122B2 - Operation control method for spark ignition internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の運転制御方法に関するものである。 The present invention relates to an operation control method for a spark ignition type internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting plasma generated in a combustion chamber by electromagnetic waves with spark discharge by an ignition plug.
従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火にあって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a spark ignition internal combustion engine mounted on a vehicle, particularly an automobile, an air-fuel mixture in a combustion chamber is ignited at each ignition timing by spark discharge between a center electrode and a ground electrode of a spark plug. In such ignition by an ignition plug, for example, in an internal combustion engine of a type in which fuel is directly injected into a cylinder, if the injected fuel is not distributed at the spark discharge position of the ignition plug, it rarely occurs.
このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献1に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。
ところで、内燃機関は、負荷の変動特には定常運転状態から定常運転状態に移る際の過渡運転状態に応じて供給する燃料及び吸入空気量を調整するものである。このような燃料供給制御と同様に、特許文献1のもののようにプラズマ雰囲気を利用するものでは、プラズマ雰囲気の生成状態を調整することにより、負荷の変化にプラズマの量を追従させることが考えられている。 By the way, the internal combustion engine adjusts the amount of fuel and intake air to be supplied in accordance with load fluctuations, in particular, a transient operation state when shifting from a steady operation state to a steady operation state. Similar to such fuel supply control, in the case of using a plasma atmosphere such as that of Patent Document 1, it is conceivable that the amount of plasma follows the load change by adjusting the generation state of the plasma atmosphere. ing.
プラズマを生成するために電磁波、例えばマイクロ波を使用するものでは、マイクロ波の発生源としてマグネトロンを使用することも知られている。しかしながら、マグネトロンを使用するものでは、内燃機関の過渡運転状態における変化速度にマグネトロンの出力が追従しないことがある。そのため、その過渡運転状態に必要なトルクに対応するマイクロ波出力とはならず、意図した過渡運転状態にはならない場合が生じた。 It is also known to use a magnetron as a source of microwaves in those that use electromagnetic waves, such as microwaves, to generate plasma. However, in the case of using a magnetron, the output of the magnetron may not follow the changing speed in the transient operation state of the internal combustion engine. Therefore, the microwave output corresponding to the torque required for the transient operation state is not obtained, and the intended transient operation state may not be achieved.
そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。 Therefore, the present invention aims to eliminate such problems.
すなわち、本発明の火花点火式内燃機関の運転制御方法は、電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の運転状態に基づいて電磁波の出力を制御する火花点火式内燃機関の運転制御方法であって、機関の過渡運転状態を検出し、検出した過渡運転状態が出力を増加する運転状態である場合に、電磁波の出力を増加するとともに点火時期を進角させる制御を行うことを特徴とする。並びに、本発明の火花点火式内燃機関の運転制御方法は、電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の運転状態に基づいて電磁波の出力を制御する火花点火式内燃機関の運転制御方法であって、機関の過渡運転状態を検出し、検出した過渡運転状態が出力を減少させる運転状態である場合に、電磁波の出力を減少させるとともに点火時期を一時的に遅角させる制御を行うことを特徴とする。
That is, the operation control method for a spark ignition internal combustion engine according to the present invention is the operation state of a spark ignition internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting plasma generated in a combustion chamber by electromagnetic waves and spark discharge by an ignition plug. An operation control method for a spark ignition type internal combustion engine that controls electromagnetic wave output based on an electromagnetic wave output when the transient operation state of the engine is detected and the detected transient operation state is an operation state that increases the output. And control for advancing the ignition timing . The spark ignition type internal combustion engine operation control method according to the present invention provides a spark ignition type internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting plasma generated in a combustion chamber by electromagnetic waves with spark discharge by an ignition plug. A method for controlling the operation of a spark ignition internal combustion engine that controls the output of an electromagnetic wave based on the output of the electromagnetic wave when the transient operation state of the engine is detected and the detected transient operation state is an operation state that reduces the output. And control for temporarily retarding the ignition timing.
このような構成によれば、電磁波の出力を制御することで生成するプラズマの量を制御し、同時に点火時期を制御してトルクを制御するものである。この結果、プラズマの量が過渡運転状態の変化に遅れても、そのような追従遅れを点火時期制御により補って、円滑な過渡運転状態を維持し得るものである。 According to such a configuration, the amount of plasma generated is controlled by controlling the output of the electromagnetic wave, and at the same time, the ignition timing is controlled to control the torque. As a result, even if the amount of plasma is delayed with respect to the change in the transient operation state, such a follow-up delay can be compensated by the ignition timing control, and a smooth transient operation state can be maintained.
本発明は、以上説明したような構成であり、電磁波の出力を制御することで生成するプラズマの量を制御し、同時に点火時期を制御してトルクを制御するので、プラズマの量が過渡運転状態の変化に遅れても、そのような追従遅れを点火時期制御により補って、円滑な過渡運転状態を維持することができる。 The present invention is configured as described above, and controls the amount of plasma generated by controlling the output of electromagnetic waves, and at the same time controls the ignition timing and torque, so that the amount of plasma is in a transient operation state. Even if it is delayed by this change, such a follow-up delay can be compensated by ignition timing control, and a smooth transient operation state can be maintained.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に1気筒の構成を概略的に示したエンジン100は、自動車用の3気筒のものである。エンジン100の吸気系1には、図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ2が配設され、そのスロットルバルブ2の下流にはサージタンク3が設けられている。サージタンク3が連通するシリンダヘッド4側の端部近傍には、さらに燃料噴射弁5が設けてあり、この燃料噴射弁5を電子制御装置6により制御するようにしている。そして、燃焼室7の天井部分には、点火プラグ8及びプラズマを生成するためのアンテナ9が取り付けてある。この実施形態におけるアンテナ9は、モノポール型アンテナで、燃焼室7の天井の点火プラグ8の近傍位置に取り付けられている。点火プラグ8には、イグナイタを一体に備える点火コイル10が交換可能に取り付けられている。アンテナ9は、棒状のもので、絶縁体を介して燃焼室7の壁に取り付けられ、燃焼室7内に突出して設けられる。アンテナ9は、高圧交流発生装置11に図示しない導波管及び同軸ケーブルを介して接続されている。また、排気系12には、図示しないマフラに至るまでの管路に三元触媒(以下、触媒13と称する)が配設され、その上流にはO2センサ14が取り付けられている。
An
高圧交流発生装置11は、マグネトロン15とマグネトロン15を制御する制御回路16とを備えてなる。マグネトロン15が出力するマイクロ波は、導波管及び同軸ケーブルによりアンテナ9に印加される。又、制御回路16には、電子制御装置6から出力される高圧交流発生信号nが入力される構成で、制御回路16は、入力される高圧交流発生信号nに基づいてマグネトロン15が出力するマイクロ波の出力時期及び出力電力を制御するものである。
The high-
電子制御装置6は、中央演算処理装置18と、記憶装置19と、入力インターフェース20と、出力インターフェース21とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。中央演算処理装置18は、記憶装置19に格納された後述のプログラムを実行して、エンジン100の運転制御を行うものである。
The
そしてエンジン100の運転制御を行うために必要な情報が入力インターフェース20を介して中央演算処理装置18に入力されるとともに、中央演算処理装置18は出力インターフェース21を介して制御のための信号を燃料噴射弁5などに出力する。具体的には、入力インターフェース20には、サージタンク3内の吸入空気の圧力を検出するための吸気圧センサ22から出力される吸気圧信号a、エンジン回転数を検出するための回転数センサ23から出力される回転数信号b、スロットルバルブ2の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ24から出力されるIDL信号c、エンジン100の冷却水温を検出するための水温センサ25から出力される水温信号d、エンジン100が吸入する新気の温度を検出するための吸気温センサ26から出力される吸気温信号e、燃焼室7から排気弁を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を検出するためのO2センサ14から出力される電圧信号fなどが入力される。一方、出力インターフェース21からは、燃料噴射弁5に対して燃料噴射信号p、イグナイタ10に対して点火信号m及び高圧交流発生装置11に対して高圧交流発生信号nなどが出力されるようになっている。
Information necessary for controlling the operation of the
電子制御装置6には、吸気圧センサ22から出力される吸気圧信号aと回転数センサ23から出力される回転数信号bとを主な情報とし、エンジン100の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間を補正して燃料噴射弁5の開成時間、すなわちインジェクタ最終通電時間を決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁5を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を該燃料噴射弁5から吸気系1に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。
The
このエンジン100にあっては、高圧交流発生装置11が発生するマイクロ波を上述した出力時期に合わせてアンテナ9から燃焼室7内に放射し、それにより生成されるプラズマと点火プラグ8による火花放電とを反応させて、混合気に着火するように構成されている。プラズマを生成する場合、マイクロ波がアンテナ9に印加されることにより、燃焼室7内には、点火プラグ8による火花放電に対して直交する方向に高周波電界が形成される。
In this
点火に際しては、点火プラグ8に点火コイル(図示しない)により火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室7内の混合気を急速に燃焼させる構成である。
At the time of ignition, a spark discharge is generated in the spark plug 8 by an ignition coil (not shown), and a high-frequency electric field is generated by microwaves almost simultaneously with or immediately after the spark discharge to generate plasma, whereby the
具体的には、点火プラグ8による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。 Specifically, the spark discharge by the spark plug 8 becomes plasma in a high-frequency electric field, and the flame becomes large.
これは、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、高周波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ラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に火炎が大きくなるものである。 This is because the flow of electrons due to the spark discharge and the ions and radicals generated by the spark discharge oscillate and meander due to the influence of the high-frequency electric field, resulting in a longer path length and the number of collisions with surrounding water and nitrogen molecules. This is due to a dramatic increase. Water molecules and nitrogen molecules that have been struck by ions and radicals become OH radicals and N radicals, and the surrounding gas that has been struck by ions and radicals is ionized, in other words, a plasma state. The flame will increase dramatically.
この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電により混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ8のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室7内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。
As a result, the air-fuel mixture is ignited by the spark discharge increased by reacting with the high-frequency electric field, so that the ignition region is expanded and the two-dimensional ignition of only the spark plug 8 is changed to the three-dimensional ignition. Therefore, the initial combustion is stabilized, the combustion rapidly propagates into the
このような構成において、エンジン100は、過渡運転状態を検出し、検出した過渡運転状態に応じて電磁波であるマイクロ波の出力を制御するとともに点火時期を制御する運転制御プログラムが電子制御装置6に内蔵してある。マイクロ波の出力及び点火時期の制御は、具体的には、検出した過渡運転状態が出力を増加する運転状態である場合、マイクロ波の出力を増加するとともに点火時期を進角させ、検出した過渡運転状態が出力を減少させる運転状態である場合、マイクロ波の出力を減少させるとともに点火時期を一時的に遅角させる構成である。
In such a configuration, the
以下、このエンジン100の運転制御の概略手順を、図2に示すフローチャートにより説明する。
Hereinafter, a schematic procedure of operation control of the
ステップS1では、エンジン100の運転状態が、ある定常運転状態から別の定常運転状態への移行期間における出力を増加する過渡運転状態であるか否かを判定する。過渡運転状態の判定は、例えば単位時間当たりの吸気管圧力が高くなっているか否かにより判定する。すなわち、エンジン100が、加速運転状態である場合は、スロットルバルブ2が開かれることにより、単位時間当たりの吸気管圧力の変化つまり吸気管圧力の変化速度は大きくなるので、吸気管圧力の変化速度が第一所定速度以上に大きくなる場合に加速時の過渡運転状態と判定するものである。
In step S1, it is determined whether or not the operating state of
ステップS1において出力を増加する過渡運転状態つまり加速時の過渡運転状態であると判定すると、ステップS2において、マイクロ波の出力を増加するとともに点火時期を進角させる。すなわち、マイクロ波の出力は、電子制御装置6から高圧交流発生信号nが高圧交流発生装置11に出力されることにより、制御回路16がマグネトロン15を制御することで増加するものである。一方、点火時期の進角は、イグナイタ10に出力される点火信号により制御する。
If it is determined in step S1 that the engine is in a transient operation state in which the output is increased, that is, a transient operation state during acceleration, in step S2, the output of the microwave is increased and the ignition timing is advanced. That is, the output of the microwave is increased by the
これに対して、ステップS1において加速時の過渡運転状態でないと判定した場合は、ステップS3に進む。ステップS3では、エンジン100の運転状態が、ある定常運転状態から別の定常運転状態への移行期間における出力を減少する過渡運転状態であるか否かを判定する。この場合は、吸気管圧力の変化速度が小さくなるので、その辺加速度が第二所定速度以下に小さくなる場合に減速時の過渡運転状態と判定する。
On the other hand, when it determines with it not being the transient operation state at the time of acceleration in step S1, it progresses to step S3. In step S3, it is determined whether or not the operating state of
ステップS3において、出力を減少する過渡運転状態つまり減速時の過渡運転状態と判定した場合は、ステップS4において、マイクロ波の出力を減少するとともに点火時期を遅角させる。一方、ステップS3において、減速時の過渡運転状態でないと判定した場合には、ステップS5に進み、定常運転状態であるとして、マイクロ波の出力は、それまでの出力を維持するとともに、点火時期についても定常運転状態に対応した進角制御を実施する。 If it is determined in step S3 that the operation is in a transient operation state where the output is reduced, that is, a transient operation state during deceleration, in step S4, the microwave output is reduced and the ignition timing is retarded. On the other hand, if it is determined in step S3 that the engine is not in the transient operation state during deceleration, the process proceeds to step S5, and the microwave output maintains the output until then and the ignition timing is assumed to be in the steady operation state. Also, advance angle control corresponding to the steady operation state is implemented.
このような構成において、エンジン100が、過渡運転状態になった場合に、その過渡運転状態が加速時のものなのか減速時のものなのかを判定して、それぞれの過渡運転状態に応じたマイクロ波の出力と点火時期の制御とを行うものである。すなわち、マイクロ波の出力を、マグネトロン15の出力を変更することにより制御するものであるが、マイクロ波の出力の変化には遅れが生じるため、過渡時の運転状態の変化に追従しないことがある。例えば加速時の過渡運転状態においては、マイクロ波の出力を増加しても、トルクの増加が運転状態の変化に追従しない。このようなトルクの増加の遅れ、また減速時の過渡運転状態にあってはトルクの減少の遅れを解消するために、点火時期を制御するものである。
In such a configuration, when the
したがって、マイクロ波の出力の増減における追従遅れを、点火時期の進角及び遅角制御により補うことになる。つまり、ある定常運転状態から別の定常運転状態へ運転状態が移る場合に、マイクロ波により生成されるプラズマが、運転状態の変化に対応して増減せず、よって必要なトルクに不足が生じるが、そのトルクの不足は、点火時期を制御することでそれぞれの過渡運転状態における必要なトルクを、確実に確保することができる。したがって、要求に追従した円滑な過渡運転状態を維持し得るものである。 Accordingly, the follow-up delay in the increase / decrease in the output of the microwave is compensated by the advance / retard control of the ignition timing. In other words, when the operating state shifts from one steady operation state to another steady operation state, the plasma generated by the microwave does not increase or decrease in response to the change in the operation state, and thus the required torque is insufficient. The shortage of torque can ensure the necessary torque in each transient operation state by controlling the ignition timing. Therefore, a smooth transient operation state following the request can be maintained.
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment.
上述の実施形態にあっては、過渡運転状態の判定を吸気管圧力により行ったが、スロットルバルブ2の開度の変化速度やアクセルペダルの踏度の変化速度に基づいて行うものであってもよい。
In the above-described embodiment, the transient operation state is determined based on the intake pipe pressure. However, even if the determination is based on the change rate of the opening degree of the
また、以上の説明にあっては、モノポール型アンテナを説明したが、アンテナはこれに限定されるものではなく、ホーン型アンテナや、点火プラグの中心電極をアンテナとして機能させるものなど、種々のものを用いることができる。 In the above description, the monopole antenna has been described. However, the antenna is not limited to this, and there are various types such as a horn antenna and an antenna in which the center electrode of the spark plug functions as an antenna. Things can be used.
高圧交流発生装置としては、上述のようなマグネトロンに代えて、進行波管などであってよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。 The high-voltage AC generator may be a traveling wave tube or the like instead of the above-described magnetron, and may further include a semiconductor microwave oscillation circuit.
さらには、点火プラグ1の中心電極をアンテナとして機能させて、高周波給電部とするものであってもよい。この場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。 Furthermore, the center electrode of the spark plug 1 may function as an antenna to form a high-frequency power feeding unit. In this case, if the high frequency is continuously applied to the center electrode at a constant voltage, the temperature of the center electrode rises excessively, so the high frequency voltage is set to be lower than the upper limit temperature set based on the heat resistance temperature of the center electrode. It is something to control.
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。 In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。 As an application example of the present invention, it can be used for a spark ignition type internal combustion engine that uses gasoline or liquefied natural gas as fuel and requires spark discharge by an ignition plug for ignition.
6…電子制御装置
7…燃焼室
8…点火プラグ
15…マグネトロン
18…中央演算処理装置
19…記憶装置
20…入力インターフェース
21…出力インターフェース
6 ...
Claims (2)
機関の過渡運転状態を検出し、検出した過渡運転状態が出力を増加する運転状態である場合に、電磁波の出力を増加するとともに点火時期を進角させる制御を行う火花点火式内燃機関の運転制御方法。 Operation control of a spark ignition internal combustion engine that controls the output of electromagnetic waves based on the operating state of a spark ignition internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting plasma generated in the combustion chamber with electromagnetic waves and spark discharge by an ignition plug A method,
Operation control of a spark ignition type internal combustion engine that detects the transient operation state of the engine and performs control to increase the output of the electromagnetic wave and advance the ignition timing when the detected transient operation state is an operation state in which the output is increased. Method.
機関の過渡運転状態を検出し、検出した過渡運転状態が出力を減少させる運転状態である場合に、電磁波の出力を減少させるとともに点火時期を一時的に遅角させる制御を行う火花点火式内燃機関の運転制御方法。 Operation control of a spark ignition internal combustion engine that controls the output of electromagnetic waves based on the operating state of a spark ignition internal combustion engine that ignites an air-fuel mixture by reacting plasma generated in the combustion chamber with electromagnetic waves and spark discharge by an ignition plug A method,
A spark ignition type internal combustion engine that detects a transient operation state of an engine, and controls to reduce an electromagnetic wave output and temporarily retard an ignition timing when the detected transient operation state is an operation state in which an output is decreased. Operation control method.
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