WO2015122004A1 - 内燃機関の点火装置および点火方法 - Google Patents

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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/22—Safety or indicating devices for abnormal conditions

Definitions

  • the present invention improves an ignition device and an ignition method for an internal combustion engine in which a discharge voltage is generated between electrodes of an ignition plug connected to a secondary coil by energizing and interrupting a primary current to the primary coil of the ignition coil. About.
  • a primary current is supplied to the primary coil, and then the primary current is cut off at a predetermined ignition timing, so that a high discharge voltage is generated in the secondary coil and the mixture is insulated.
  • a discharge occurs between the electrodes of the spark plug with destruction. Specifically, a very high voltage capacitive discharge occurs instantaneously, followed by an induction discharge.
  • the secondary current flowing between the electrodes decreases relatively abruptly in a triangular wave shape with the passage of time from the start of the discharge.
  • Patent Document 1 when the current value of the secondary current flowing between the electrodes of the ignition plug is detected and the current value of the secondary current becomes equal to or less than the predetermined value before a predetermined time has elapsed since the ignition command signal was generated. Discloses a technique for determining a misfire.
  • This Patent Document 1 does not disclose the correlation between the secondary current and the compression ratio.
  • Patent Document 2 cranking without fuel injection is performed immediately after the start of the internal combustion engine, and the temperature of the intake air introduced into each cylinder and the gas temperature in the exhaust port discharged from each cylinder are used.
  • a technique for individually estimating the compression ratio of each cylinder is disclosed.
  • correction of the fuel injection amount for each cylinder is performed using the deviation of the compression ratio of each cylinder.
  • An object of the present invention is to make it possible to detect an in-cylinder pressure at an ignition timing and an actual compression ratio at the ignition timing with a simple configuration using an ignition device.
  • the present invention relates to an ignition device for an internal combustion engine that generates a discharge voltage between electrodes of an ignition plug connected to a secondary coil by energizing and interrupting a primary current to the primary coil of the ignition coil.
  • Secondary current detection means for monitoring the secondary current flowing between the electrodes;
  • In-cylinder pressure estimating means for estimating the in-cylinder pressure at the ignition timing based on the secondary current; It has.
  • the ignition method of the present invention is an ignition method for an internal combustion engine in which a discharge current is generated between electrodes of an ignition plug connected to a secondary coil by energizing and interrupting a primary current to the primary coil of the ignition coil. Monitor the secondary current flowing between the electrodes, In-cylinder pressure at the ignition timing is estimated based on this secondary current, Is.
  • the in-cylinder pressure at the ignition timing is estimated based on the current value of the secondary current immediately after the end of the capacity discharge.
  • the magnitude of the current value of the secondary current correlates with the pressure of the gas in the vicinity of the electrode where discharge occurs (that is, the cylinder pressure), and the current value decreases as the gas pressure increases.
  • the in-cylinder pressure at the ignition timing can be uniquely estimated from the current value of the secondary current immediately after the end of the capacity discharge.
  • the current peak value at the time of capacitive discharge varies greatly and it is difficult to measure correctly, the current value immediately after the end of capacitive discharge is used in the present invention.
  • the in-cylinder pressure at the ignition timing is estimated based on the discharge time in which the secondary current flows and the engine speed.
  • the discharge time during which the secondary current flows also correlates with the gas pressure in the vicinity of the electrode (that is, the in-cylinder pressure), and the gas pressure is high.
  • the discharge time becomes shorter.
  • the discharge time varies depending on the engine speed, and the discharge time is shorter as the engine speed is higher. Therefore, the in-cylinder pressure at the ignition timing can be estimated from the discharge time and the engine speed.
  • the in-cylinder pressure at the ignition timing can be obtained only by monitoring the secondary current flowing between the electrodes during the operation of the internal combustion engine. It is possible to detect a variation in the compression ratio.
  • FIG. 1 shows a system configuration of an automotive internal combustion engine 1 to which the present invention is applied.
  • the internal combustion engine 1 is an in-cylinder direct injection type spark ignition type internal combustion engine with four cylinders, and includes a fuel injection valve 2 for injecting fuel into the cylinder for each cylinder, and is generated.
  • a spark plug 3 for igniting the air-fuel mixture is provided, for example, at the center of the ceiling surface.
  • the spark plug 3 is connected to an ignition unit 4 described later provided for each cylinder.
  • each ignition unit 4 is arranged so that the ignition unit 4 is directly connected to the terminal portion at the upper end of the spark plug 3.
  • Each cylinder includes an intake valve 5 and an exhaust valve 7, and the tip of the intake port connected to the intake collector 8 is opened and closed by the intake valve 5 and the tip of the exhaust port connected to the exhaust passage 9. Is opened and closed by the exhaust valve 7.
  • the intake valve 5 includes a variable valve gear 6 that can variably control the opening / closing timing (at least the closing timing) of the intake valve 5.
  • the variable valve gear 6 can be configured such that the valve timings of the intake valves 5 of all cylinders change at the same time. A configuration that can be changed individually for each cylinder is more desirable.
  • An electronically controlled throttle valve 11 whose opening is controlled by a control signal from the engine controller 10 is interposed at the inlet of the intake collector 8.
  • the engine controller 10 includes a crank angle sensor 13 for detecting the engine speed, an air flow meter 14 for detecting the intake air amount, a water temperature sensor 15 for detecting the cooling water temperature, and an accelerator pedal depression amount operated by the driver. Detection signals of sensors such as an accelerator opening sensor 16 for detecting the air-fuel ratio and an air-fuel ratio sensor 17 for detecting the exhaust air-fuel ratio are input. Based on these detection signals, the engine controller 10 determines the fuel injection amount and injection timing by the fuel injection valve 2, the ignition timing of the spark plug 3 via the ignition unit 4, the opening and closing timing of the intake valve 5, and the opening of the throttle valve 11. , Etc. are optimally controlled.
  • the ignition unit 4 includes an ignition coil 21 including a primary coil 21a and a secondary coil 21b, and an igniter 22 that controls energization / interruption of a primary current to the primary coil 21a of the ignition coil 21.
  • the in-vehicle battery 24 is connected to the primary coil 21a of the ignition coil 21, and the ignition plug 3 is connected to the secondary coil 21b.
  • the resistance 23 for secondary current detection is provided in series with the secondary coil 21b. A signal indicating the secondary current of each cylinder detected through the secondary current detection resistor 23 is input to the engine controller 10 and monitored by the engine controller 10.
  • FIG. 3 shows the operation of the ignition unit 4 using the ignition coil 21 as described above.
  • a primary current is supplied to the primary coil 21 a of the ignition coil 21 through the igniter 22 for an appropriate energization time.
  • This primary current is interrupted at a predetermined ignition timing.
  • a high discharge voltage (secondary voltage) is generated in the secondary coil 21b, and discharge occurs between the electrodes of the spark plug 3 with dielectric breakdown of the air-fuel mixture.
  • a very high voltage capacitive discharge occurs instantaneously, followed by an induction discharge.
  • the secondary current flowing between the electrodes decreases relatively abruptly in a triangular wave shape with the passage of time from the start of the discharge.
  • the in-cylinder pressure is estimated based on the substantial peak value of the secondary current. That is, as shown in FIG. 4A, the engine controller 10 reads the current value Idis of the secondary current immediately after the end of the capacity discharge as a substantial peak value. For example, the current value Idis when a very short predetermined time has elapsed from the ignition timing is detected. This is because the current value at the time of capacitive discharge showing a very high voltage in an extremely short time is considered to be relatively unstable and difficult to detect accurately.
  • the current value (substantial peak value) of the secondary current detected as shown in FIG. 4A is equal to the in-cylinder pressure (gas pressure between the electrodes) at the ignition timing.
  • both have a characteristic that the current value decreases as the in-cylinder pressure increases, and has a linear relationship, for example.
  • the relationship between the two hardly changes even if the engine rotational speed, the strength of gas flow, or the like changes. Therefore, the in-cylinder pressure at the ignition timing can be uniquely estimated based on the current value Idis of the secondary current immediately after the end of the capacity discharge.
  • the in-cylinder pressure at the ignition timing estimated in this way can be used for various controls. For example, detection of a change over time in the mechanical compression ratio due to deposit accumulation and detection of variation in the compression ratio of each cylinder. It is possible to apply to.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a specific processing flow of the first embodiment in which the estimation of the in-cylinder pressure is used for estimation of a change with time of the mechanical compression ratio. The process shown in this flowchart is executed in the engine controller 10 every time each cylinder is ignited, for example.
  • step 1 the rotational speed and load of the internal combustion engine 1 are read, and in step 2, the ignition timing is determined.
  • step 3 it is determined whether or not the operating condition is to perform a diagnosis of the temporal change of the mechanical compression ratio.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating the diagnosis region with the horizontal axis as the ignition timing and the vertical axis as the intake pressure as the operating conditions of the internal combustion engine 1.
  • the compression ratio change with time is diagnosed in a predetermined diagnostic region where the intake pressure is high and the ignition timing is near top dead center.
  • This diagnostic region generally corresponds to the low speed full load region of the internal combustion engine 1.
  • the diagnosis is not limited to the steady operation, and the diagnosis may be performed when the ignition timing is retarded near the top dead center (in the diagnosis region) for some reason.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining this. For example, assuming that the P1 point is initially set under an operation condition in which the in-cylinder pressure at the ignition timing is relatively high, a certain mechanical compression ratio with time is given. When there is a change, the in-cylinder pressure changes at point P2. Between the P1 point and the P2 point, a change in the in-cylinder pressure and, in turn, a change in the current value Idis is relatively large.
  • step 4 the in-cylinder pressure Pign at the ignition timing is estimated based on the current value Idis according to the characteristics shown in FIG. For example, a corresponding value is retrieved from a table created along the characteristics shown in FIG.
  • Step 5 based on the in-cylinder pressure Pign at the ignition timing, a compression ratio ⁇ sign (mechanical compression ratio) at the ignition timing is calculated.
  • the in-cylinder pressure Pign at the ignition timing has the relationship of the following equation (1) with respect to the intake pressure P1, the compression ratio ⁇ sign and the specific heat ratio ⁇ at the ignition timing.
  • ⁇ sign exp ⁇ ln (Pign / P1) / ⁇ (2)
  • the intake pressure P1 and the specific heat ratio ⁇ can be obtained, for example, with reference to a map or table created in advance using the engine speed and load or the ignition timing as parameters.
  • the intake pressure P1 can be detected directly by providing an intake pressure sensor in the intake collector 8.
  • step 6 the compression ratio ⁇ sign at the estimated ignition timing is compared with the original reference compression ratio (reference mechanical compression ratio at the same ignition timing).
  • the reference compression ratio is searched from a table created in advance using the ignition timing as a parameter.
  • the piston position may be obtained from the ignition timing, and the reference compression ratio corresponding to each ignition timing may be calculated based on the piston position.
  • Step 6 since the amount of change over time of the compression ratio at the ignition timing is obtained, finally, in Step 7, the mechanical compression ratio at the piston top dead center position, which is generally expressed as “mechanical compression ratio”. It is converted into a change amount ⁇ of ⁇ .
  • the compression ratio change ⁇ over time of a certain cylinder can be obtained, and by sequentially performing this, the change over time in the compression ratio of each cylinder can be obtained.
  • the in-cylinder pressure at the ignition timing is estimated based on the discharge time during which the secondary current flows and the engine speed. That is, as shown in FIG. 4B, the engine controller 10 reads a time during which a secondary current having a predetermined threshold value or more flows as a discharge time Tdis.
  • the threshold value is set to an appropriate value so as to avoid erroneous detection, but may be a very small value close to 0.
  • the discharge time Tdis detected as shown in FIG. 4B correlates with the in-cylinder pressure (gas pressure between the electrodes) at the ignition timing.
  • both have a characteristic that the discharge time becomes shorter as the in-cylinder pressure becomes higher, and has a linear relationship, for example.
  • the relationship between the two hardly changes even if the strength of the gas flow other than the engine speed changes. Accordingly, it is possible to uniquely estimate the in-cylinder pressure at the ignition timing based on the discharge time Tdis and the engine speed.
  • FIG. 10 is a flowchart showing a specific processing flow of the second embodiment in which the estimation of the in-cylinder pressure is used for estimation of the change over time of the mechanical compression ratio. The process shown in this flowchart is executed in the engine controller 10 every time each cylinder is ignited, for example.
  • Steps 1 to 3 and 5 to 7 are substantially the same as the steps in the flowchart of FIG. 6 described above.
  • Step 1 the rotational speed and load of the internal combustion engine 1 are read, and in Step 2, the ignition timing is determined. To do.
  • step 3 it is determined whether or not the operating condition is to perform a diagnosis of a change with time of the mechanical compression ratio. If it is not the diagnosis area shown in FIG. 7, the routine is terminated, and if it is the diagnosis area, the process proceeds to Step 4A.
  • step 4A the in-cylinder pressure Pign at the ignition timing is estimated based on the discharge time Tdis and the engine rotation speed in accordance with the characteristics shown in FIG. For example, a corresponding value is retrieved from a three-dimensional map created along the characteristics shown in FIG.
  • step 5 the compression ratio ⁇ ign at the ignition timing is calculated based on the in-cylinder pressure Pign at the ignition timing. This is as described above.
  • step 6 the estimated compression ratio ⁇ sign at the ignition timing is compared with the original reference compression ratio (reference mechanical compression ratio at the same ignition timing).
  • step 7 the piston top dead center position is determined. The amount of change ⁇ of the mechanical compression ratio ⁇ at is obtained.
  • the time-dependent compression ratio change amount ⁇ of one cylinder can be obtained as in the first embodiment, and the change over time of each cylinder can be obtained by sequentially performing this process. Can do.
  • FIG. 11 is a flowchart showing an example of processing executed for a change in compression ratio with time obtained by the first embodiment or the second embodiment. This example of FIG. 11 is possible to prevent pre-ignition and knocking when a change in mechanical compression ratio over time (specifically, an increase in mechanical compression ratio) occurs due to deposit accumulation or the like.
  • the effective compression ratio is made lower than the normal set value via the variable valve device 6.
  • step 11 the amount of change ⁇ over time of the mechanical compression ratio is obtained by the method of the first embodiment or the second embodiment described above.
  • step 12 it is determined whether or not the compression ratio change amount ⁇ over time is larger than a predetermined threshold value ⁇ (that is, an allowable value).
  • a predetermined threshold value ⁇ that is, an allowable value.
  • the routine proceeds to step 13, where it is determined whether or not a predetermined low speed and high load region in which abnormal combustion such as pre-ignition or knocking is likely to occur. If “YES” here, the process proceeds to a step 14, and the intake valve closing timing located after the bottom dead center is corrected through the variable valve device 6 to retard the effective compression ratio from the normal set value. If NO in step 12 or step 13, the process proceeds to step 15 and the intake valve closing timing is controlled as usual.
  • the intake valve closing timing delay correction corresponding to the compression ratio change amount ⁇ may be performed for each cylinder. it can. Further, when the intake valve closing timing is changed at the same time for all cylinders, for example, in step 12, the average value of the compression ratio change ⁇ of all cylinders or the compression ratio change amount ⁇ of each cylinder The maximum value may be compared with the allowable value (threshold value ⁇ ).
  • FIG. 12 is a flowchart showing an example of processing executed for a change in compression ratio with time obtained by the first embodiment or the second embodiment.
  • a change in mechanical compression ratio over time due to deposit accumulation or the like specifically, an increase in the mechanical compression ratio
  • the pre-ignition or knocking is suppressed.
  • the fuel injection amount of the cylinder is increased.
  • Steps 11 to 13 are the same as the respective steps in FIG. 11.
  • the amount of change ⁇ over time in the mechanical compression ratio is obtained by the method of the first embodiment or the second embodiment described above.
  • a predetermined threshold value ⁇ that is, an allowable value.
  • the routine proceeds to step 13, where it is determined whether or not a predetermined low speed and high load region in which abnormal combustion such as pre-ignition or knocking is likely to occur. If “YES" here, the process proceeds to a step 14A to increase and correct the fuel injection amount from the fuel injection valve 2. If NO in step 12 or step 13, the process proceeds to step 15A to control the fuel injection amount as usual.
  • the fuel injection amount increase correction may be performed only for the cylinders whose compression ratio change amount ⁇ exceeds the threshold value ⁇ , but the fuel increase is performed for all the cylinders at the same time. Also good.
  • the combustion temperature is positively increased for incineration removal of deposits accumulated in the cylinder.
  • the deposited combustion operation may be executed.
  • the detection of the in-cylinder pressure at the ignition timing is applied to the detection of the change over time of the mechanical compression ratio, but the cylinder in the multi-cylinder internal combustion engine is detected by using the detection of the in-cylinder pressure at the ignition timing. It is also possible to detect the compression ratio variation. That is, by individually detecting the in-cylinder pressure at the ignition timing of each cylinder during operation of the internal combustion engine, it is possible to easily detect the compression ratio variation between the cylinders, and in consideration of this compression ratio variation, Correction of the cylinder fuel injection amount and fuel injection timing, correction of ignition timing, and the like can be performed.

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Abstract

　内燃機関（１）の点火ユニット（４）は、一次コイル（２１ａ）および二次コイル（２１ｂ）を含む点火コイル（２１）と、イグナイタ（２２）と、二次電流検知用抵抗（２３）と、を備える。エンジンコントローラ（１０）は、二次電流検知用抵抗（２３）を介して、容量放電終了直後の二次電流の電流値（Ｉｄｉｓ）を検出する。この電流値（Ｉｄｉｓ）は、点火時期における電極間のガス圧力に相関しているので、電流値（Ｉｄｉｓ）から筒内圧（Ｐｉｇｎ）を推定できる。点火時期における筒内圧（Ｐｉｇｎ）に基づき、デポジットの堆積による圧縮比の経時的な変化量（Δε）が求められる。

Description

内燃機関の点火装置および点火方法
　この発明は、点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる、内燃機関の点火装置および点火方法の改良に関する。
　点火コイルを用いた点火装置にあっては、一次コイルに一次電流を通電した後、所定の点火時期に一次電流を遮断することで、二次コイルに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の電極間で放電が生じる。詳しくは、極めて高い電圧の容量放電が瞬間的に生じ、これに続いて誘導放電が生じる。そして、誘導放電の間、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。
　特許文献１には、点火プラグの電極間を流れる二次電流の電流値を検出し、点火指令信号の発生時から所定時間経過する前に二次電流の電流値が所定値以下となったときに失火と判定する技術が開示されている。
　この特許文献１においては、二次電流と圧縮比との相関については開示がない。
　一方、特許文献２には、内燃機関の始動直後に燃料噴射を伴わないクランキングを行い、各気筒へ導入される吸気の温度と各気筒から排出された排気ポート内のガス温度とを用いて、各気筒の圧縮比を個々に推定する技術が開示されている。この特許文献２では、各気筒の圧縮比の偏差を用いて、例えば気筒毎の燃料噴射量の補正などを行っている。
　しかし、このような構成では、各気筒の排気ポートに個々に温度センサを配置することになり、構成が複雑化する。
特許第２７０５０４１号公報 特開２０１２－１１７５０３号公報
　本発明の目的は、点火装置を利用した簡単な構成でもって点火時期における筒内圧ひいては点火時期における実際の圧縮比を検出可能とすることにある。
　本発明は、点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる内燃機関の点火装置において、
　上記電極間に流れる二次電流をモニタする二次電流検知手段と、
　この二次電流に基づいて点火時期における筒内圧を推定する筒内圧推定手段と、
　を備えている。
　また本発明の点火方法は、点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる内燃機関の点火方法において、
　上記電極間に流れる二次電流をモニタし、
　この二次電流に基づいて点火時期における筒内圧を推定する、
　ものである。
　本発明の好ましい一つの態様では、容量放電終了直後の二次電流の電流値に基づいて点火時期における筒内圧を推定する。
　すなわち、本発明者の新たな知見によれば、二次電流の電流値の大小は、放電が生じる電極付近のガスの圧力（つまり筒内圧）に相関し、ガス圧力が高いほど電流値は小さくなる。特に、二次電流の電流値とガス圧力との間には、機関回転速度やガス流動の強度などが変わっても、一定の相関が見られる。従って、容量放電終了直後の二次電流の電流値によって、点火時期における筒内圧を一義的に推定することが可能である。なお、容量放電時の電流ピーク値はばらつきが大きく、かつ正しく測定することが困難であるので、本発明では、容量放電終了直後の電流値を用いる。
　また本発明の好ましい他の一つの態様では、二次電流が流れる放電時間と機関回転速度とに基づいて点火時期における筒内圧を推定する。
　すなわち、本発明者の新たな知見によれば、二次電流の電流値と同様に、二次電流が流れる放電時間も電極近傍のガスの圧力（つまり筒内圧）に相関し、ガス圧力が高いほど放電時間は短くなる。そして、この放電時間は、機関回転速度によっても異なる値となり、機関回転速度が高いほど放電時間は短くなる。従って、放電時間と機関回転速度とによって、点火時期における筒内圧を推定することが可能である。
　このように本発明によれば、内燃機関の運転中に、電極間に流れる二次電流をモニタするだけで点火時期における筒内圧を求めることができ、例えば、経時的な圧縮比の変化や気筒間の圧縮比のばらつきなどを検出することが可能となる。
この発明が適用された内燃機関の一実施例を示す構成説明図。 各気筒の点火ユニットの構成を示す構成説明図。 点火コイルにおける一次電流等の波形図。 検出対象となる二次電流の（Ａ）電流値および（Ｂ）放電時間の説明図。 電流値と点火時期における筒内圧との関係を示した特性図。 この発明の第１実施例を示すフローチャート。 診断を行う領域の説明図。 圧縮比が経時変化したときの電流値の変化の大小を説明する説明図。 放電時間と点火時期における筒内圧との関係を示した特性図。 この発明の第２実施例を示すフローチャート。 圧縮比変化に対し有効圧縮比の補正を行う実施例のフローチャート。 圧縮比変化に対し燃料噴射量の補正を行う実施例のフローチャート。
　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、この発明が適用された自動車用内燃機関１のシステム構成を示している。この内燃機関１は、直列４気筒の筒内直噴型火花点火式内燃機関であって、各気筒毎に、筒内へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２を備えているとともに、生成された混合気に点火を行うための点火プラグ３を例えば天井面中央部に備えている。この点火プラグ３は、各気筒毎に設けられる後述する点火ユニット４に接続されている。例えば、点火プラグ３の上端の端子部に点火ユニット４が直接に接続されるように、各点火ユニット４が配置されている。
　また各気筒は、吸気弁５と排気弁７とを具備しており、吸気コレクタ８に接続された吸気ポートの先端が吸気弁５によって開閉され、かつ排気通路９に接続された排気ポートの先端が排気弁７によって開閉される。ここで、本実施例では、吸気弁５は、該吸気弁５の開閉時期（少なくとも閉時期）を可変制御できる可変動弁装置６を備えている。なお、本実施例では、可変動弁装置６として、例えば、全気筒の吸気弁５のバルブタイミングが一斉に変化する構成のものを用いることができるが、各気筒の吸気弁５のバルブタイミングを各気筒毎に個別に変更できる構成であれば、さらに望ましい。
　上記吸気コレクタ８の入口部には、エンジンコントローラ１０からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットル弁１１が介装されている。
　上記エンジンコントローラ１０には、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ１３、吸入空気量を検出するエアフロメータ１４、冷却水温を検出する水温センサ１５、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ１６、排気空燃比を検出する空燃比センサ１７、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ１０は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁２による燃料噴射量および噴射時期、点火ユニット４を介した点火プラグ３の点火時期、吸気弁５の開閉時期、スロットル弁１１の開度、等を最適に制御している。
　上記点火ユニット４は、図２に詳細を示すように、一次コイル２１ａおよび二次コイル２１ｂを含む点火コイル２１と、この点火コイル２１の一次コイル２１ａに対する一次電流の通電・遮断を制御するイグナイタ２２と、を含んでおり、点火コイル２１の一次コイル２１ａに車載バッテリ２４が接続され、二次コイル２１ｂに点火プラグ３が接続されている。そして、放電時に点火プラグ３の電極間に流れる二次電流をモニタするために、二次コイル２１ｂと直列に二次電流検知用抵抗２３が設けられている。この二次電流検知用抵抗２３を介して検出される各気筒の二次電流を示す信号は、それぞれエンジンコントローラ１０に入力され、該エンジンコントローラ１０によってモニタされる。
　図３は、上記のように点火コイル２１を用いた点火ユニット４の作用を示したものである。エンジンコントローラ１０から出力される制御信号（点火信号）に基づき、点火コイル２１の一次コイル２１ａに、イグナイタ２２を介して適宜な通電時間の間、一次電流が通電される。この一次電流は、所定の点火時期において遮断される。この一次電流の遮断に伴って、二次コイル２１ｂに高い放電電圧（二次電圧）が発生し、混合気の絶縁破壊を伴って点火プラグ３の電極間で放電が生じる。詳しくは、極めて高い電圧の容量放電が瞬間的に生じ、これに続いて誘導放電が生じる。そして、誘導放電の間、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。
　本発明の第１実施例では、二次電流の実質的なピーク値に基づいて、筒内圧の推定を行う。すなわち、エンジンコントローラ１０は、図４（Ａ）に示すように、容量放電終了直後の二次電流の電流値Ｉｄｉｓを実質的なピーク値として読み込む。例えば、点火時期からごく僅かな所定時間が経過した時点の電流値Ｉｄｉｓを検出する。これは、極めて短時間でかつ非常に高い電圧を示す容量放電の際の電流値は比較的不安定であり、かつ精度よい検出が困難であることを考慮したものである。
　本発明者の新たな知見によれば、図４（Ａ）のように検出される二次電流の電流値（実質的なピーク値）は、点火時期における筒内圧（電極間のガス圧力）に相関する。両者は、図５に示すように、筒内圧が高いほど電流値が小さくなる特性を有し、例えば線形の関係を有する。しかも、この両者の関係は、機関回転速度やガス流動の強度などが変わっても、殆ど変化することがない。従って、容量放電終了直後の二次電流の電流値Ｉｄｉｓに基づいて、点火時期における筒内圧を一義的に推定することが可能である。
　このように推定される点火時期における筒内圧は、種々の制御に利用することができ、例えば、デポジットの堆積による機械的圧縮比の経時的変化の検出や、各気筒の圧縮比のばらつきの検出、などに適用することが可能である。
　図６は、筒内圧の推定を機械的圧縮比の経時変化の推定に利用するようにした第１実施例の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、エンジンコントローラ１０において、例えば各気筒の点火のたびに実行される。
　ステップ１では、内燃機関１の回転速度および負荷を読み込み、ステップ２で、点火時期を決定する。
　ステップ３では、機械的圧縮比の経時変化の診断を行うべき運転条件であるか否かの判定を行う。図７は、内燃機関１の運転条件として、横軸を点火時期、縦軸を吸気圧として、診断領域を図示した説明図である。図示するように、吸気圧が高くかつ点火時期が上死点近傍にある所定の診断領域において、圧縮比経時変化の診断が実行される。この診断領域は、内燃機関１の低速全負荷域に概ね相当する。なお、定常的な運転に限らず、点火時期が何らかの要因で上死点付近（診断領域内）に遅角制御されたときに診断を行うようにしてもよい。
　上記のように診断領域を設定する理由は、点火時期における筒内圧が高い条件であるほど圧縮比経時変化による筒内圧変化が大きく現れることを考慮したものである。図８は、これを説明する説明図であって、例えば、点火時期における筒内圧が比較的高い運転条件の下で、初期にＰ１点であったとすると、ある一定の経時的な機械的圧縮比の変化があった場合に、Ｐ２点に筒内圧が変化する。Ｐ１点とＰ２点との間では、筒内圧の変化ひいては電流値Ｉｄｉｓの変化が比較的大きく得られる。これに対し、点火時期における筒内圧が比較的低い運転条件の下では、初期にＰ３点であったものが、同一の機械的圧縮比変化に対し、Ｐ４点へと変化する。Ｐ３点とＰ４点との間では、筒内圧の変化ひいては電流値Ｉｄｉｓの変化が比較的小さい。このように、点火時期における筒内圧が高い領域ほど、経時的な機械的圧縮比変化に対する筒内圧の変化ならびに電流値Ｉｄｉｓの変化が大きく得られ、診断の精度が高くなる。従って、図６の実施例では、図７に示す診断領域に限って診断を実行する。
　ステップ３において運転条件が診断領域であると判定した場合は、ステップ４へ進み、前述した図５の特性に従って、電流値Ｉｄｉｓに基づき、点火時期における筒内圧Ｐｉｇｎを推定する。例えば図５の特性に沿って作成されたテーブルから対応する値を検索する。
　次に、ステップ５で、点火時期における筒内圧Ｐｉｇｎに基づき、点火時期における圧縮比εｉｇｎ（機械的圧縮比）を算出する。
　点火時期における筒内圧Ｐｉｇｎは、吸気圧Ｐ１、点火時期における圧縮比εｉｇｎ、比熱比κに対し、次の（１）式の関係がある。
　Ｐｉｇｎ＝Ｐ１×εｉｇｎκ　　・・・（１）
　従って、点火時期における圧縮比εｉｇｎは、次の（２）式から求まる。
　εｉｇｎ＝ｅｘｐ｛ｌｎ（Ｐｉｇｎ／Ｐ１）／κ｝　　・・・（２）
　ここで、吸気圧Ｐ１および比熱比κは、例えば、機関回転速度と負荷、あるいは点火時期をパラメータとして予め作成したマップないしテーブルを参照して求めることができる。吸気圧Ｐ１については、吸気コレクタ８に吸気圧センサを設けて直接検出することも可能である。
　ステップ６では、推定した点火時期における圧縮比εｉｇｎと本来の基準圧縮比（同じ点火時期における基準の機械的圧縮比）とを比較する。基準圧縮比は、点火時期をパラメータとして予め作成したテーブルから検索する。あるいは、点火時期からピストン位置を求め、このピストン位置に基づいて各点火時期に対応した基準圧縮比を算出するようにしてもよい。
　ステップ６では、点火時期における圧縮比の経時的な変化量が求まるので、最終的に、ステップ７で、一般的に「機械的圧縮比」として表記されるピストン上死点位置における機械的圧縮比εの変化量Δεに換算する。
　以上の処理により、ある１つの気筒の経時的な圧縮比変化量Δεを求めることができ、これを順次行うことで、各気筒の経時的な圧縮比変化量を各々求めることができる。
　次に、本発明の第２実施例を説明する。第２実施例においては、二次電流が流れる放電時間と機関回転速度とに基づいて点火時期における筒内圧を推定する。すなわち、エンジンコントローラ１０は、図４（Ｂ）に示すように、所定の閾値以上の二次電流が流れる時間を放電時間Ｔｄｉｓとして読み込む。上記閾値としては、誤検出を回避するように適当な値に設定されるが、０に近い非常に小さな値であってもよい。
　本発明者の新たな知見によれば、図４（Ｂ）のように検出される放電時間Ｔｄｉｓは、点火時期における筒内圧（電極間のガス圧力）に相関する。両者は、図９に示すように、筒内圧が高いほど放電時間が短くなる特性を有し、例えば線形の関係を有する。そして、機関回転速度が高いほど、放電時間は短くなる。この両者の関係は、機関回転速度以外のガス流動の強度などが変わっても、殆ど変化することがない。従って、放電時間Ｔｄｉｓと機関回転速度とに基づいて、点火時期における筒内圧を一義的に推定することが可能である。
　図１０は、筒内圧の推定を機械的圧縮比の経時変化の推定に利用するようにした第２実施例の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、エンジンコントローラ１０において、例えば各気筒の点火のたびに実行される。
　ステップ１～３、５～７は、前述した図６のフローチャートの各ステップと実質的に変わりがなく、ステップ１では、内燃機関１の回転速度および負荷を読み込み、ステップ２で、点火時期を決定する。ステップ３では、機械的圧縮比の経時変化の診断を行うべき運転条件であるか否かの判定を行う。図７に示す診断領域でなければルーチンを終了し、診断領域であればステップ４Ａへ進む。
　ステップ４Ａでは、前述した図９の特性に従って、放電時間Ｔｄｉｓおよび機関回転速度に基づき、点火時期における筒内圧Ｐｉｇｎを推定する。例えば図９の特性に沿って作成された三次元マップから対応する値を検索する。
　次に、ステップ５で、点火時期における筒内圧Ｐｉｇｎに基づき、点火時期における圧縮比εｉｇｎを算出する。これは前述したとおりである。そして、ステップ６で、推定した点火時期における圧縮比εｉｇｎと本来の基準圧縮比（同じ点火時期における基準の機械的圧縮比）とを比較し、最終的に、ステップ７で、ピストン上死点位置における機械的圧縮比εの変化量Δεを求める。
　以上の処理により、第１実施例と同じく、ある１つの気筒の経時的な圧縮比変化量Δεを求めることができ、これを順次行うことで、各気筒の経時的な圧縮比変化を求めることができる。
　次に、図１１は、上記の第１実施例もしくは第２実施例によって求めた経時的な圧縮比変化に対して実行される処理の一例を示すフローチャートである。この図１１の例は、デポジットの堆積などによる経時的な機械的圧縮比の変化（具体的には機械的圧縮比の増加）が生じたときに、プレイグニッションやノッキングの抑制のために、可変動弁装置６を介して有効圧縮比を通常の設定値よりも低下させるようにしたものである。
　ステップ１１では、前述した第１実施例もしくは第２実施例の手法によって機械的圧縮比の経時的な変化量Δεを求める。ステップ１２では、経時的な圧縮比変化量Δεが所定の閾値α（つまり許容値）よりも大きいか否かを判定する。圧縮比変化量Δεが閾値αよりも大きい場合は、ステップ１３へ進み、プレイグニッションやノッキングといった異常燃焼が生じやすい所定の低速高負荷域であるか否かを判定する。ここでＹＥＳであれば、ステップ１４へ進み、可変動弁装置６を介して、下死点後に位置する吸気弁閉時期を遅角補正し、有効圧縮比を通常の設定値よりも低下させる。ステップ１２もしくはステップ１３でＮＯの場合は、ステップ１５へ進み、吸気弁閉時期を通常通り制御する。
　なお、可変動弁装置６が各気筒毎に吸気弁閉時期を変更できるものである場合には、各気筒毎に圧縮比変化量Δεに対応した吸気弁閉時期の遅角補正を行うことができる。また、全気筒一斉に吸気弁閉時期が変更される形式である場合には、例えば、ステップ１２において、全気筒の圧縮比変化量Δεの平均値あるいは各気筒の圧縮比変化量Δεの中の最大値を許容値（閾値α）と比較すればよい。
　次に、図１２は、上記の第１実施例もしくは第２実施例によって求めた経時的な圧縮比変化に対して実行される処理の一例を示すフローチャートである。この図１２の例は、デポジットの堆積などによる経時的な機械的圧縮比の変化（具体的には機械的圧縮比の増加）が生じたときに、プレイグニッションやノッキングの抑制のために、当該気筒の燃料噴射量を増量するようにしたものである。
　ステップ１１～１３は、図１１の各ステップと同様であり、ステップ１１で、前述した第１実施例もしくは第２実施例の手法によって機械的圧縮比の経時的な変化量Δεを求め、ステップ１２で、経時的な圧縮比変化量Δεが所定の閾値α（つまり許容値）よりも大きいか否かを判定する。圧縮比変化量Δεが閾値αよりも大きい場合は、ステップ１３へ進み、プレイグニッションやノッキングといった異常燃焼が生じやすい所定の低速高負荷域であるか否かを判定する。ここでＹＥＳであれば、ステップ１４Ａへ進み、燃料噴射弁２からの燃料噴射量を増量補正する。ステップ１２もしくはステップ１３でＮＯの場合は、ステップ１５Ａへ進み、燃料噴射量を通常通り制御する。
　なお、ノッキング等の抑制のためには、燃料噴射量の増量補正は、圧縮比変化量Δεが閾値αを超えている気筒のみに行えばよいが、全気筒一斉に燃料増量を行うようにしてもよい。
　上記のような圧縮比経時変化に対する処理のほか、例えば、圧縮比変化量Δεが許容値を超えたときに、筒内に堆積しているデポジットの焼却除去のために燃焼温度を積極的に高くしたデポジット燃焼運転を実行するようにしてもよい。
　また、上記実施例では、点火時期における筒内圧の検出を、機械的圧縮比の経時変化の検出に応用しているが、点火時期における筒内圧の検出を利用して、多気筒内燃機関における気筒間の圧縮比ばらつきを検出することも可能である。すなわち、内燃機関の運転中に各気筒の点火時期における筒内圧を個々に検出することで、気筒間の圧縮比ばらつきを容易に検出することができ、この圧縮比ばらつきを考慮した形で、各気筒の燃料噴射量や燃料噴射時期の補正、点火時期の補正など、を行うことができる。

Claims (10)

  1. 　点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる内燃機関の点火装置において、
    　上記電極間に流れる二次電流をモニタする二次電流検知手段と、
    　この二次電流に基づいて点火時期における筒内圧を推定する筒内圧推定手段と、
    　を備えてなる内燃機関の点火装置。
  2. 　上記筒内圧推定手段は、容量放電終了直後の二次電流の電流値に基づいて点火時期における筒内圧を推定する、請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
  3. 　容量放電終了直後の二次電流の電流値として、点火時期から所定時間経過した時点の電流値を用いる、請求項２に記載の内燃機関の点火装置。
  4. 　上記筒内圧推定手段は、二次電流が流れる放電時間と機関回転速度とに基づいて点火時期における筒内圧を推定する、請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
  5. 　所定の閾値以上の電流が流れる時間を上記放電時間として検出する、請求項４に記載の内燃機関の点火装置。
  6. 　推定した筒内圧に基づいて当該気筒の点火時期における圧縮比を求める圧縮比推定手段をさらに備える、請求項１～５のいずれかに記載の内燃機関の点火装置。
  7. 　上記圧縮比を、点火時期に対応した基準圧縮比と比較する圧縮比診断手段をさらに備える、請求項６に記載の内燃機関の点火装置。
  8. 　多気筒内燃機関において各気筒毎に筒内圧の推定を行い、各気筒の筒内圧のばらつきを求める、請求項１～７のいずれかに記載の内燃機関の点火装置。
  9. 　吸気圧が高くかつ点火時期が上死点近傍となる内燃機関の特定の運転条件下で筒内圧の推定を行う、請求項１～８のいずれかに記載の内燃機関の点火装置。
  10. 　点火コイルの一次コイルに一次電流を通電しかつ遮断することで、二次コイルに接続された点火プラグの電極間に放電電圧を発生させる内燃機関の点火方法において、
    　上記電極間に流れる二次電流をモニタし、
    　この二次電流に基づいて点火時期における筒内圧を推定する、
    　内燃機関の点火方法。
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