IGNITION CONTROL SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND IGNITION CONTROL METHOD

　以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

　図１は、この発明に係る点火制御装置を備えた内燃機関１全体の構成を示す構成説明図であって、この内燃機関１の吸気通路２には、上流側から順に、エアクリーナ３、エアフロメータ４、スロットル弁５、がそれぞれ配置されている。内燃機関１の排気通路６には、上流側から順に、上流側触媒コンバータ７、下流側触媒コンバータ８、消音器９、がそれぞれ配置されている。上記上流側触媒コンバータ７の前後には、上流側空燃比センサ１０および下流側空燃比センサ１１がそれぞれ配置されている。そして、上記排気通路６の上流側触媒コンバータ７と下流側触媒コンバータ８との間から排気還流通路１３が分岐しており、この排気還流通路１３の先端が、吸気通路２のスロットル弁５下流側、詳しくはコレクタ部２ａに接続されている。上記コレクタ部２ａは、比較的大きな容積を有し、各気筒毎に分岐した下流側の複数本のブランチ部２ｂがこのコレクタ部２ａに集合している。

　上記排気還流通路１３には、排気還流量を制御するために排気還流制御弁１４が介装されており、その上流側（排気系側）には、高温の排気を冷却水や外気との熱交換により冷却するＥＧＲガスクーラ１５が設けられている。

　図２は、上記内燃機関１の点火装置の構成を示している。内燃機関１の複数のシリンダ２２の各々には、ピストン２３が配置されているとともに、吸気弁２４によって開閉される吸気ポート２５および排気弁２６によって開閉される排気ポート２７がそれぞれ接続されている。上記の吸気通路２および排気通路６は上記吸気ポート２５および排気ポート２７にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１は、筒内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁２８を備えている。この燃料噴射弁２８の燃料噴射時期および燃料噴射量は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０によって制御される。そして、上記燃料噴射弁２８によって筒内に生成された混合気の点火を行うために、例えば天井面中央に点火プラグ２９が配置されている。なお、図示例は、筒内直接噴射式内燃機関として構成されているが、吸気ポート２５に燃料噴射弁を配置したポート噴射型の構成であってもよい。

　上記エンジンコントロールユニット３０には、吸入空気量を検出するエアフロメータ４や空燃比センサ１０，１１（図１参照）、機関回転速度を検出するクランク角センサ３２、冷却水温を検出する温度センサ３３、などの多数のセンサ類からの検出信号が入力されている。

　上記点火プラグ２９には、エンジンコントロールユニット３０からの点火信号に応答して点火プラグ２９に放電電圧を出力する点火ユニット４１が接続されている。また、エンジンコントロールユニット３０からの重ね電圧要求信号に応答して点火ユニット４１による重ね電圧を制御する重ね電圧制御ユニット４２が設けられている。これらのエンジンコントロールユニット３０、点火ユニット４１、および重ね電圧制御ユニット４２は、車載の１４ボルトのバッテリ４３に接続されている。

　上記点火ユニット４１は、図３に詳細を示すように、一次コイルおよび二次コイル（図示せず）を含む点火コイル４５と、この点火コイル４５の一次コイルに対する一次電流の通電・遮断を制御するイグナイタ４６と、昇圧回路を含む重ね電圧生成回路４７と、を含んでおり、上記点火コイル４５の二次コイルに点火プラグ２９が接続されている。重ね電圧生成回路４７は、バッテリ４３の電圧を所定の重ね電圧の電圧まで昇圧した上で、重ね電圧制御ユニット４２の制御信号に基づいて、点火プラグ２９の放電開始後に該点火プラグ２９に対し重ね電圧を出力する。なお、重ね電圧生成回路４７は、一次コイルへの一次電流遮断時に点火プラグ２９の電極間に生じる本来の放電電圧と同じ電位の方向に重ね電圧を生成する。

　図４は、重ね電圧の有無による二次電流（放電電流）の変化を説明するものであり、重ね電圧の非供給時と供給時について、一次電流（一次コイル通電信号）、重ね電圧、二次電圧、二次電流、のそれぞれの波形をまとめて図示している。

　重ね電圧の非供給時には、一般的な点火装置と同様の作用となる。すなわち、点火コイル４５の一次コイルに、イグナイタ４６を介して所定の通電時間の間、一次電流が通電される。この一次電流の遮断に伴って、二次コイルには高い放電電圧が発生し、混合気の絶縁破壊を伴って点火プラグ２９の電極間で放電が生じる。そして、電極間に流れる二次電流は、放電開始から時間経過に伴って三角波状に比較的急激に減少していく。

　これに対し、重ね電圧の供給時には、一次電流の遮断とほぼ同時に重ね電圧の供給が開始され、かつ所定の期間、一定の重ね電圧が重畳される。これにより、図示するように、放電開始から比較的長い期間、二次電流が高いレベルに維持され、重ね放電として、より長く放電が継続する。

　本発明の実施例においては、内燃機関１の負荷および回転速度から定まる運転領域によって、排気還流に対応した形で、重ね電圧を供給するか否かが決定される。図５に模式的に示すように、低中速・中負荷域が重ね電圧の供給を行う重ね放電実行領域となっており、これ以外の高負荷域、低負荷域および高速域は、重ね放電の供給を行わない重ね放電停止領域となっている。上記重ね放電停止領域は、排気還流通路１３を介した排気還流（いわゆる外部ＥＧＲ）を行わない運転領域もしくは排気還流率が低く設定されている運転領域に相当する。これに対し、上記重ね放電実行領域は、相対的に高い排気還流率でもって排気還流が行われる運転領域に相当する。

　スロットル弁５を具備した火花点火内燃機関では、燃焼室内に比較的大量の還流排気の導入を行うことで、ポンピングロスの低減などによる燃料消費率の向上が得られるが、その反面、不活性ガスである還流排気により着火性が低下する。しかし、上記のように高排気還流率での排気還流を行う際に重ね電圧の供給による重ね放電を行うことで、良好な着火性が得られる。

　ところで、図５に矢印で示すように、運転者のアクセルペダル操作などにより重ね放電実行領域内のＡ点から重ね放電停止領域内のＢ点へと機関の負荷が低下すると、目標とする排気還流率が高排気還流率から低排気還流率（あるいは０）へと変化し、かつこれと併せて、重ね放電の実行・停止の切換が行われる。このとき、本発明では、重ね放電の実行・停止の切換に所定の遅れ期間が与えられる。

　図６は、機関運転条件が図５のＡ点からＢ点へと移行した過渡時における、負荷、排気還流率、および重ね電圧のＯＮ・ＯＦＦ（供給・実行）を対比して示したタイムチャートである。この例では、時間ｔ１において重ね放電実行領域から重ね放電停止領域へと運転条件が変化し、排気還流制御弁１４の開度が急激に減少する。つまり、目標とする排気還流率がステップ的に変化する。しかし、実際の排気還流率は、比較的緩慢に変化し、時間ｔ２において、移行後のＢ点の目標排気還流率に到達する。なお、本発明では、この時間ｔ１からｔ２までの期間ＴＬ、つまり排気還流の状態が領域移行後の運転条件に対応した定常状態に達するまでに要する期間ＴＬを、「排気還流過渡期間」と呼ぶ。

　ここで、特に図５に示す態様の過渡変化においては、上記の排気還流過渡期間ＴＬの初期に実際の排気還流率が逆に増加する現象が生じる。つまり、図１に例示したように、排気還流制御弁１４よりも下流に排気還流通路１３の一部やコレクタ部２ａ等の比較的大きな容積があり、ここに存在していた排気が排気還流制御弁１４の開度減少（あるいは閉弁）後に遅れて燃焼室内に流入する。そして、同時に負荷低下（換言すればスロットル弁５開度の減少）に伴って新気量が減少するので、燃焼室内の排気還流率が一時的に高くなる。従って、仮に領域の移行と同時に時間ｔ１において重ね放電を停止したとすると、過大な排気還流率によって失火に至る懸念がある。

　このような失火を回避するために、図６に示す実施例では、上記の排気還流過渡期間ＴＬと実質的に等しい遅れ期間ΔＴが重ね電圧のＯＮ・ＯＦＦの切換に与えられる。つまり、遅れ期間ΔＴが経過するまで重ね放電が継続され、遅れ期間ΔＴの経過時（実質的に時間ｔ２と等しい時期）に重ね放電が停止される。

　また、図７は、遅れ期間ΔＴの設定の異なる実施例を示しており、この例では、遅れ期間ΔＴが排気還流過渡期間ＴＬよりも多少短く設定される。つまり、排気還流率が移行後の運転条件に対応した定常状態となる時間ｔ２よりも早い時間ｔ３において、重ね放電が終了する。この場合の遅れ期間ΔＴは、重ね放電を終了しても失火が生じないレベルまで実際の排気還流率が低下する時期に対応して設定される。

　従って、図６の例では、より確実に失火が回避される。また、図７の例では、過渡初期の失火を回避しつつ図６の例に比べて放電エネルギを抑制することができる。

　ここで、上記の遅れ期間ΔＴの間に加えられる重ね放電の放電エネルギの設定としては、時間ｔ１以前の放電エネルギと同レベルとなるように設定してもよく、あるいは、排気還流率の上昇に伴う失火をより確実に回避するように時間ｔ１以前の放電エネルギよりも高いレベルに設定するようにしてもよい。この放電エネルギの具体的な変更方法については後述する。

　次に、図８～図１０に基づき、負荷低下に伴って重ね放電停止領域内のＣ点から重ね放電実行領域内のＤ点へと移行（図８の矢印参照）したときの作用を説明する。

　このような場合、時間ｔ１における運転領域の移行に伴って目標排気還流率が低排気還流率（もしくは０）から高排気還流率へと変化するが、燃焼室内における実際の排気還流率の変化は図９，１０に示すように緩慢に生じ、時間ｔ２において目標とする高排気還流率に達する。従って、仮に時間ｔ１において重ね放電を開始すると、不必要に重ね放電を行うこととなり、放電エネルギの無駄が生じる。

　そのため、図９の例では、前述した図６の例と同様に、時間ｔ１～ｔ２の排気還流過渡期間ＴＬと実質的に等しい遅れ期間ΔＴが重ね電圧のＯＮ・ＯＦＦの切換に与えられる。つまり、時間ｔ２まで重ね放電を行わず、実際に高排気還流率となる時間ｔ２において重ね放電が開始される。

　また、図１０の例では、前述した図７の例と同様に、遅れ期間ΔＴが排気還流過渡期間ＴＬよりも多少短く設定されており、排気還流率が移行後の運転条件に対応した定常状態となる時間ｔ２よりも早い時間ｔ３において、重ね放電が開始される。

　従って、図９の例では、放電エネルギの削減が最大限に図れる。また、図１０の例では、放電エネルギを抑制しつつ、排気還流率が移行後の運転条件下での高排気還流率に近付いた段階での失火を確実に回避することができる。

　ここで、図１０の例において時間ｔ３～ｔ２の間に加えられる重ね放電の放電エネルギの設定としては、時間ｔ２以後の放電エネルギと同レベルとなるように設定してもよく、あるいは、放電エネルギの無駄が生じないように時間ｔ２以後の放電エネルギよりも低いレベルに設定するようにしてもよい。

　次に、図１１～図１３に基づき、負荷上昇に伴って重ね放電停止領域内のＢ点から重ね放電実行領域内のＡ点へと移行（図１１の矢印参照）したときの作用を説明する。

　このような場合、時間ｔ１における運転領域の移行に伴って目標排気還流率が低排気還流率（もしくは０）から高排気還流率へと変化するが、燃焼室内における実際の排気還流率の変化は図１２，１３に示すように緩慢に生じ、時間ｔ２において目標とする高排気還流率に達する。特に、負荷上昇に伴い新気量が増大するので、燃焼室内の実際の排気還流率は一時的にさらに低下し、その後、徐々に高くなっていく。従って、仮に時間ｔ１において重ね放電を開始すると、不必要に重ね放電を行うこととなり、放電エネルギの無駄が生じる。

　そのため、図１２の例では、前述した図９の例と同様に、時間ｔ１～ｔ２の排気還流過渡期間ＴＬと実質的に等しい遅れ期間ΔＴが重ね電圧のＯＮ・ＯＦＦの切換に与えられる。つまり、時間ｔ２まで重ね放電を行わず、実際に高排気還流率となる時間ｔ２において重ね放電が開始される。

　また、図１３の例では、前述した図１０の例と同様に、遅れ期間ΔＴが排気還流過渡期間ＴＬよりも多少短く設定されており、排気還流率が移行後の運転条件に対応した定常状態となる時間ｔ２よりも早い時間ｔ３において、重ね放電が開始される。

　従って、図１２の例では、放電エネルギの削減が最大限に図れる。また、図１３の例では、放電エネルギを抑制しつつ、排気還流率が移行後の運転条件下での高排気還流率に近付いた段階での失火を確実に回避することができる。

　ここで、図１３の例において時間ｔ３～ｔ２の間に加えられる重ね放電の放電エネルギの設定としては、前述した図１０の場合と同様に、時間ｔ２以後の放電エネルギと同レベルとなるように設定してもよく、あるいは、放電エネルギの無駄が生じないように時間ｔ２以後の放電エネルギよりも低いレベルに設定するようにしてもよい。

　次に、図１４～図１６に基づき、負荷上昇に伴って重ね放電実行領域内のＤ点から重ね放電停止領域内のＣ点へと移行（図１４の矢印参照）したときの作用を説明する。

　このような場合、時間ｔ１における運転領域の移行に伴って目標排気還流率が高排気還流率から低排気還流率（もしくは０）へと変化するが、燃焼室内における実際の排気還流率の変化は図１５，１６に示すように緩慢に生じ、時間ｔ２において目標とする低排気還流率に達する。なお、負荷上昇に伴い新気が増えるので図６，図７で説明したような一時的な排気還流率の上昇は生じないが、それでも、排気還流率の低下は緩慢である。従って、仮に時間ｔ１において重ね放電を開始すると、やはり失火の懸念がある。

　そのため、図１５の例では、前述した図６の例と同様に、時間ｔ１～ｔ２の排気還流過渡期間ＴＬと実質的に等しい遅れ期間ΔＴが重ね電圧のＯＮ・ＯＦＦの切換に与えられる。つまり、時間ｔ２まで重ね放電が継続され、実際に低排気還流率となる時間ｔ２において重ね放電が停止される。

　また、図１６の例では、前述した図７の例と同様に、遅れ期間ΔＴが排気還流過渡期間ＴＬよりも多少短く設定されており、排気還流率が移行後の運転条件に対応した定常状態となる時間ｔ２よりも早い時間ｔ３において、重ね放電が停止される。

　従って、図１５の例では、図６の例と同じくより確実に失火が回避される。また、図１６の例では、図７の例と同じく、過渡初期の失火を回避しつつ図１５の例に比べて放電エネルギを抑制することができる。

　ここで、上記の遅れ期間ΔＴの間に加えられる重ね放電の放電エネルギの設定としては、前述したように、時間ｔ１以前の放電エネルギと同レベルとなるように設定してもよく、あるいは、時間ｔ１以前の放電エネルギよりも高いレベルに設定するようにしてもよい。

　上述した各実施例での放電エネルギの設定は、図１７に示すように、重ね電圧を供給する時間あるいは印加される重ね電圧の電圧値を変更することによって変更することができる。

　図１７は、図４と同様に、一次電流（一次コイル通電信号）、重ね電圧、二次電圧、二次電流、のそれぞれの波形を対比して示したものであり、左列は、基本的な重ね放電の特性を示している。これに対し、中央列は、重ね電圧の供給時間を長くした例であり、これにより、二次電流がより長い時間、高いレベルで継続する。従って、混合気に投入される放電エネルギが大となる。右列は、基本的な特性に比較して重ね電圧の電圧値を高くした例であり、これにより、二次電流がより高いレベルに得られる。従って、やはり混合気に投入される放電エネルギが大となる。なお、ここでは放電エネルギを増大する例を説明しているが、図１０の例などで放電エネルギを低いレベルに変更する場合も同様である。

　なお、上記の各実施例における遅れ期間ΔＴは、固定的に定めた一定期間（一定時間もしくは一定クランク角など）であってもよく、あるいは、機関運転条件（負荷および回転速度）を考慮して、各運転条件毎に最適に定めた期間であってもよい。

　また、排気還流率の高低や排気還流の有無が例えば内燃機関１の温度条件等によって異なる場合には、重ね放電実行領域および重ね放電停止領域は、やはり温度条件等を考慮して、実際の排気還流の設定に対応するように設定される。

　さらに、上記実施例では、還流排気導入のために、排気還流通路１３を含むいわゆる外部排気還流装置を用いているが、吸気弁２４と排気弁２６のバルブオーバラップ量制御によるいわゆる内部排気還流制御によって排気還流を行う場合にも、本発明は同様に適用可能である。なお、外部排気還流装置の方が、排気還流制御弁１４下流の容積の影響が大であり、例えば失火防止のためにより長い遅れ期間ΔＴが必要となる。