(57)【要約】【課題】  燃焼室における燃焼開始時期を良好に最適化することができる内燃機関の制御装置および制御方法の提供。【解決手段】  燃料および空気の混合気を燃焼室３内で燃焼させて動力を発生する内燃機関１は、筒内圧力を検出する筒内圧センサ１５と、ＥＣＵ２０とを備える。ＥＣＵ２０は、通常、筒内圧センサ１５によって検出された筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢを算出し、当該燃焼割合ＭＦＢが目標値と一致するように点火時期ＳＡを設定する。また、内燃機関１が過渡状態にあると判断された場合、ＥＵＣ２０は、内燃機関１の負荷ＫＬおよび回転数ＮＥ、排気行程中の筒内圧力Ｐｅ並びに吸気下死点における筒内温度Ｔｃとに基づいて燃焼室３における最適な点火時期を予測する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の負荷および回転数、並びに前記燃焼室内の状態に関連する所定のパラメータに基づいて前記燃焼室における最適な燃焼開始時期を予測する燃焼開始時期予測手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記パラメータには、排気行程中の筒内圧力と、所定のタイミングにおける前記燃焼室内の温度との少なくとも何れか一方が含まれることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、
前記筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出する燃焼割合算出手段と、
前記燃焼割合算出手段によって算出される燃焼割合が目標値と一致するように前記燃焼室における燃焼開始時期を算出する燃焼開始時期算出手段とを更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記燃焼開始時期予測手段によって予測された燃焼開始時期に基づいて前記燃焼室における混合気の燃焼を開始させる場合、前記燃焼割合算出手段によって算出される燃焼割合と共に、前記燃焼開始時期予測手段によって予測された燃焼開始時期と前記燃焼開始時期算出手段によって算出された燃焼開始時期との偏差が前記燃焼開始時期算出手段にフィードバックされることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記内燃機関が過渡状態にある際、前記燃焼開始時期予測手段によって予測された燃焼開始時期に基づいて前記燃焼室における混合気の燃焼を開始させることを特徴する請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記燃焼割合と前記目標値との偏差が所定範囲内にあるか否か判定する判定手段と、
前記燃焼開始時期算出手段によって算出された燃焼開始時期に基づいて前記燃焼室における混合気の燃焼が開始された後、前記判定手段によって前記燃焼割合と前記目標値との偏差が所定範囲内にあると判断された場合に、前記燃焼開始時期予測手段による燃焼開始時期の予測に用いられる予測式の係数を最適化する手段とを更に備えることを特徴とする請求項３から５の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記燃焼開始時期算出手段は、前記燃焼割合と前記目標値との偏差に基づいて燃焼開始時期を算出する積分回路と、前記燃焼割合算出手段によって算出される燃焼割合の所定サイクル間における変動が所定値を上回る場合に、前記燃焼割合と前記目標値との偏差に所定のゲインを乗じた値を前記積分回路の出力に付加する比例回路とを含むことを特徴とする請求項３から６の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記燃焼割合算出手段は、前記筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて前記燃焼割合を算出することを特徴とする請求項３から７の何れかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記燃焼割合算出手段によって燃焼割合が求められる所定のタイミングは、吸気弁閉弁後かつ燃焼開始前に設定された第１のタイミングと、前記燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定された第２のタイミングとの間に設定されており、前記燃焼割合算出手段は、前記第１のタイミングと前記第２のタイミングとの間における前記積値の差分と、前記第１のタイミングと前記所定のタイミングとの間における前記積値の差分とに基づいて前記燃焼割合を算出することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
燃料および空気の混合気を前記燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御方法において、
前記内燃機関の負荷、回転数および前記燃焼室内の状態に関連する所定のパラメータに基づいて前記燃焼室における最適な燃焼開始時期を予測するステップを備えることを特徴とする内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の燃焼室における混合気の点火時期を大きなトルクが得られると共にノッキングが発生しない最適なタイミング（ＭＢＴ：Minimum advance for Best Torque）に設定するために、内燃機関の燃焼室内の総ガス重量を未燃ガス密度基本値および層流火炎速度基本値で除した値に所定の着火遅れ時間を加算し、この加算値をクランク角に単位変換することにより、基本点火時期を予測する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法では、内燃機関の負荷（充填効率）や回転数、ガスの量や密度等に基づいて総ガス重量、未燃ガス密度基本値および層流火炎速度基本値が求められる。また、内燃機関の燃焼室における混合気の点火時期を最適なタイミング（ＭＢＴ）に設定するために、燃焼室における燃焼割合に基づいて点火時期を進角または遅角させる方法も知られている（例えば、特許文献２および３参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３０５３５号公報
【特許文献２】特公昭６２−５３７１０号公報
【特許文献３】特開平９−１８９２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来の点火時期を予測するための方法では、未燃ガスの量や総ガス量の推定に要する工数が多く、この点で、かかる予測方法を例えば車両用内燃機関等に適用するのは実際上困難となっていた。また、上述のように燃焼室における燃焼割合に基づいて点火時期を設定すると、内燃機関の運転条件によっては、いわゆる応答遅れが問題となることがある。
【０００５】
そこで、本発明は、燃焼室における燃焼開始時期を良好に最適化することができる内燃機関の制御装置および制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による内燃機関の制御装置は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御装置において、内燃機関の負荷および回転数、並びに燃焼室内の状態に関連する所定のパラメータに基づいて燃焼室における最適な燃焼開始時期を予測する燃焼開始時期予測手段を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明による内燃機関の制御方法は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関の制御方法において、内燃機関の負荷、回転数および燃焼室内の状態に関連する所定のパラメータに基づいて燃焼室における最適な燃焼開始時期を予測するステップを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃焼室における燃焼開始時期を良好に最適化することができる内燃機関の制御装置および制御方法の実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明による制御装置が適用される内燃機関では、所定条件下で、燃焼開始時期予測手段によって、内燃機関の負荷および回転数、並びに燃焼室内の状態に関連する所定のパラメータに基づいて燃焼室における最適な燃焼開始時期が予測される。このように、燃焼開始時期（火花点火時期あるいは圧縮着火時期）の予測に、内燃機関の負荷および回転数に加えて、燃焼室内の情報を用いることにより、過渡時や例えば燃焼室内の残留ガスが多くなる場合のような特異な条件下であっても、燃焼開始時期を精度よく得ることが可能となる。
【００１０】
この場合、上記パラメータには、排気行程中の筒内圧力と、所定のタイミングにおける燃焼室内の温度との少なくとも何れか一方が含まれると好ましい。すなわち、燃焼開始時期予測手段は、好ましくは、次の予測式（１）を用いて燃焼室における最適な燃焼開始時期（予測値ＳＡ’）を予測する。ただし、予測式（１）において、ｗ１〜ｗ５は、実験的、経験的に定められる係数であり、ＫＬは、内燃機関の負荷（充填効率）であり、ＮＥは、内燃機関の回転数であり、Ｐｅは、排気行程中の筒内圧力であり、Ｔｃは、燃焼室内の温度（筒内温度）である。
【００１１】
【数１】
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【００１２】
具体的には、内燃機関の負荷ＫＬおよび回転数ＮＥは、予測式（１）を用いた燃焼開始時期の予測時の値であり、排気行程中の筒内圧力Ｐｅは、前サイクル中に検出される値である。また、筒内温度Ｔｃは、対象となるサイクル中の吸気上死点における燃焼室内の温度であり、その値は、次の（２）式を用いて定めることができる。ただし（２）式において、ＰＴＤＣは、吸気上死点における筒内圧力であり、Ｖは、ＶＴＤＣすなわち吸気上死点における筒内容積であり、ＭＴＤＣは、吸気上死点における充填ガス量であり、Ｒは、気体定数である。
【００１３】
【数２】
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【００１４】
上記予測式（１）を用いることにより、燃焼開始時期を高精度に予測することが可能となる。ただし、内燃機関の運転条件や演算負荷等に応じて、上記（１）の予測の筒内圧力Ｐｅや筒内温度Ｔｃの項を適宜省略してもよい。すなわち、燃焼開始時期を予測するための予測式（１）の項数は、内燃機関の運転条件等に応じて変化させられてもよい。
【００１５】
また、本発明による内燃機関の制御装置は、燃焼室における筒内圧力を検出する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段によって検出された筒内圧力に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出する燃焼割合算出手段と、燃焼割合算出手段によって算出される燃焼割合が目標値と一致するように燃焼室における燃焼開始時期を算出する燃焼開始時期算出手段とを更に備えると好ましい。
【００１６】
かかる構成のもとでは、上述の燃焼開始時期の予測と、燃焼室における燃焼割合に基づく燃焼開始時期の算出（燃焼開始時期のフィードバック制御）とを運転条件に応じて切り換えることにより、燃焼開始時期の最適化を常時良好に実行可能となる。
【００１７】
更に、燃焼開始時期予測手段によって予測された燃焼開始時期に基づいて燃焼室における混合気の燃焼を開始させる場合、燃焼割合算出手段によって算出される燃焼割合と共に、燃焼開始時期予測手段によって予測された燃焼開始時期と燃焼開始時期算出手段によって算出された燃焼開始時期との偏差が燃焼開始時期算出手段にフィードバックされると好ましい。
【００１８】
このような構成のもとでは、燃焼開始時期予測手段の予測値が燃焼開始時期として用いられる間、燃焼開始時期算出手段は、燃料割合算出手段によって算出される燃焼割合と、燃焼開始時期予測手段の予測値と燃焼開始時期算出手段の算出値との偏差とに基づいて燃焼開始時期を継続して算出することになる。これにより、いわゆるアンチワインドアップ化を図ることが可能となり、燃焼開始時期の予測から燃焼割合に基づく燃焼開始時期の算出への移行時のオーバーシュートを確実に抑制することができる。
【００１９】
また、内燃機関が過渡状態にある際、燃焼開始時期予測手段によって予測された燃焼開始時期に基づいて燃焼室における混合気の燃焼を開始させると好ましい。
【００２０】
一般に、過渡状態においては、燃焼室における燃焼割合に基づく燃焼開始時期の算出を行っても、最適な燃焼開始時期を応答性よく定めることが困難となることもある。従って、内燃機関が過渡状態にある際には、燃焼開始時期予測手段によって予測された値を燃焼開始時期として定め、燃焼室における混合気を点火または着火させるとよい。これにより、過渡状態においても、燃焼室における燃焼開始時期を良好に最適化することが可能となる。
【００２１】
更に、本発明による内燃機関の制御装置は、燃焼割合と目標値との偏差が所定範囲内にあるか否か判定する判定手段と、燃焼開始時期算出手段によって算出された燃焼開始時期に基づいて燃焼室における混合気の燃焼が開始された後、判定手段によって燃焼割合と目標値との偏差が所定範囲内にあると判断された場合に、燃焼開始時期予測手段による燃焼開始時期の予測に用いられる予測式の係数を最適化する手段とを更に備えると好ましい。
【００２２】
かかる構成のもとでは、燃焼開始時期算出手段の算出値が燃焼開始時期として用いられる際に、燃焼割合と目標値とが概ね一致し、燃焼室における燃焼開始時期が概ね最適になっていると判断される場合に、予測式の係数が最適化される。これにより、燃焼割合に基づく燃焼開始時期の算出が実行されている状態から、予測式を用いた燃焼開始時期の予測が実行されるようになった際に、燃焼開始時期予測手段による燃焼開始時期の予測精度を向上させることが可能となる。
【００２３】
また、燃焼開始時期算出手段は、燃焼割合と目標値との偏差に基づいて燃焼開始時期を算出する積分回路と、燃焼割合算出手段によって算出される燃焼割合の所定サイクル間における変動が所定値を上回る場合に、燃焼割合と目標値との偏差に所定のゲインを乗じた値を積分回路の出力に付加する比例回路とを含むと好ましい。
【００２４】
このような構成を採用すれば、サイクル間の燃焼割合の変動を速やかに収束させつつ、最適な燃焼開始時期（火花点火時期あるいは圧縮着火時期）を精度よく算出することが可能となる。
【００２５】
更に、燃焼割合算出手段は、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積値に基づいて燃焼割合を算出すると好ましい。
【００２６】
本発明者は、ある燃焼室について所定のタイミングにおける燃焼割合を算出する際の演算負荷を低減すべく鋭意研究を行った。その結果、本発明者は、クランク角がθである際に筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力をＰ（θ）とし、クランク角がθである際（当該筒内圧力Ｐ（θ）の検出時）の筒内容積をＶ（θ）とし、比熱比をκとした場合に、筒内圧力Ｐ（θ）と、筒内容積Ｖ（θ）を比熱比（所定の指数）κで累乗した値Ｖκ（θ）との積値Ｐ（θ）・Ｖκ（θ）（以下、適宜「ＰＶκ」と記す）に着目した。
【００２７】
そして、本発明者は、クランク角に対する内燃機関の燃焼室内における熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する積値ＰＶκの変化パターンとが図１に示されるような相関を有することを見出した。図１において、実線は、所定のモデル気筒において所定の微小クランク角おきに検出された筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の比熱比κで累乗した値との積値ＰＶκをプロットしたものである。また、図１において、破線は、上記モデル気筒における熱発生量Ｑを次の（３）式に基づき、Ｑ＝∫ｄＱ／ｄθ・Δθとして算出・プロットしたものである。なお、何れの場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。また、図１において、−３６０°，０°および３６０°は、上死点に、−１８０°および１８０°は、下死点に対応する。
【００２８】
【数３】
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【００２９】
図１に示される結果からわかるように、クランク角に対する熱発生量Ｑの変化パターンと、クランク角に対する積値ＰＶκの変化パターンとは、概ね一致（相似）しており、特に、筒内の混合気の燃焼開始（ガソリンエンジンでは火花点火時、ディーゼルエンジンでは圧縮着火時）の前後（例えば、図１における約−１８０°から約１３５°までの範囲）では、熱発生量Ｑの変化パターンと、積値ＰＶκの変化パターンとは極めて良好に一致することがわかる。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態においては、燃焼室における熱発生量Ｑと積値ＰＶκとの相関を利用して、筒内圧検出手段によって検出される筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積との積値ＰＶκに基づいて、ある２点間におけるトータルの熱発生量に対する当該２点間の所定のタイミングまでの熱発生量の比である燃焼割合ＭＦＢが求められる。ここで、積値ＰＶκに基づいて燃焼室における燃焼割合を算出すれば、高負荷な演算処理を要することなく燃焼室における燃焼割合を精度よく得ることができる。すなわち、図２に示されるように、積値ＰＶκに基づいて求められる燃焼割合（同図における実線参照）は、熱発生率に基づいて求められる燃焼割合（同図における破線参照）とほぼ一致する。
【００３１】
図２において、実線は、上述のモデル気筒においてクランク角＝θとなるタイミングにおける燃焼割合を、次の（４）式に従うと共に、検出した筒内圧力Ｐ（θ）に基づいて算出し、プロットしたものである。ただし、簡単のために、κ＝１．３２とした。また、図２において、破線は、上述のモデル気筒においてクランク角＝θとなるタイミングにおける燃焼割合を、上記（３）式および次の（５）式に従うと共に、検出した筒内圧力Ｐ（θ）に基づいて算出し、プロットしたものである。この場合も、簡単のために、κ＝１．３２とした。
【００３２】
【数４】
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【００３３】
【数５】
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【００３４】
更に、燃焼割合算出手段によって燃焼割合が求められる所定のタイミングは、吸気弁閉弁後かつ燃焼開始前に設定された第１のタイミングと、燃焼開始の後かつ排気弁開弁前に設定された第２のタイミングとの間に設定されるとよく、燃焼割合算出手段は、第１のタイミングと第２のタイミングとの間における積値の差分と、第１のタイミングと所定のタイミングとの間における積値の差分とに基づいて燃焼割合を算出すると好ましい。
【００３５】
この場合、所定のタイミングにおけるクランク角をθ０とすると、クランク角＝θ０となる当該所定のタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢは、第１のタイミングと上記所定のタイミングとの間における積値ＰＶκの差分{Ｐ（θ０）・Ｖκ（θ０）−Ｐ（θ１）・Ｖκ（θ１）}を、第１のタイミングと第２のタイミングとの間における積値ＰＶκの差分{Ｐ（θ２）・Ｖκ（θ２）−Ｐ（θ１）・Ｖκ（θ１）}で除して１００を乗じることにより得ることができる。これにより、３点において検出した筒内圧力に基づいて精度よく燃焼割合を求めることが可能となり、演算負荷を大幅に低減させることができる。
【００３６】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について具体的に説明する。
【００３７】
図３は、本発明による制御装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させることにより動力を発生するものである。内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。
【００３８】
各燃焼室３の吸気ポートは、吸気管（吸気マニホールド）５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気管（排気マニホールド）６にそれぞれ接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅが燃焼室３ごとに配設されている。各吸気弁Ｖｉは、対応する吸気ポートを開閉し、各排気弁Ｖｅは、対応する排気ポートを開閉する。各吸気弁Ｖｉおよび各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって動作させられる。更に、内燃機関１は、気筒数に応じた数の点火プラグ７を有し、点火プラグ７は、対応する燃焼室３内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。
【００３９】
吸気管５は、図３に示されるように、サージタンク８に接続されている。サージタンク８には、給気ラインが接続されており、給気ラインは、エアクリーナ９を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気ラインの中途（サージタンク８とエアクリーナ９との間）には、スロットルバルブ（本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ）１０が組み込まれている。一方、排気管６には、図３に示されるように、三元触媒を含む前段触媒装置１１ａおよびＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置１１ｂが接続されている。
【００４０】
更に、内燃機関１は、複数のインジェクタ１２を有し、各インジェクタ１２は、図３に示されるように、対応する吸気管５の内部（吸気ポート内）に臨むように配置されている。各インジェクタ１２は、各吸気管５の内部にガソリン等の燃料を噴射する。なお、本実施形態の内燃機関１は、いわゆるポート噴射式のガソリンエンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明がいわゆる直噴式内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。また、本発明が、ガソリンエンジンだけではなく、ディーゼルエンジンにも適用され得ることはいうまでもない。
【００４１】
上述の各点火プラグ７、スロットルバルブ１０、各インジェクタ１２および動弁機構等は、内燃機関１の制御装置として機能するＥＣＵ２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および、記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ２０には、図３に示されるように、クランク角センサ１４を始めとした各種センサが電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、動弁機構等を制御する。
【００４２】
また、内燃機関１は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバ検出素子等を含む筒内圧センサ（筒内圧検出手段）１５を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、ＥＣＵ２０に電気的に接続されている。各筒内圧センサ１５は、対応する燃焼室３における筒内圧力（相対圧力）を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ２０に与える。各筒内圧センサ１５の検出値は、所定時間（所定クランク角）おきにＥＣＵ２０に順次与えられ、絶対圧力に補正された上でＥＣＵ２０の所定の記憶領域（バッファ）に所定量ずつ格納保持される。
【００４３】
次に、図４から図７を参照しながら、上述の内燃機関１における燃焼開始時期すなわち点火時期の制御手順について説明する。
【００４４】
図４に示されるように、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の点火時期を設定するための積分器（積分回路）Ｉを有している。この積分器Ｉは、後述の手順に従ってサイクルごとに算出される所定のタイミング（本実施形態では、上死点後８°）における燃焼割合ＭＦＢと目標値（目標ＭＦＢ、本実施形態では５０％）との偏差に基づいて（偏差をゼロにするように）燃焼室３ごとに点火時期を算出（設定）する。すなわち、積分器Ｉは、前回の点火時期の算出値に対して、燃焼割合ＭＦＢと目標値との偏差に所定のゲインＫｉを乗じた値を加算することにより、対象となる燃焼室３について点火時期を算出する。これにより、内燃機関１では、基本的に、燃焼割合ＭＦＢが目標値と一致するように点火時期がフィードバック制御され、各燃焼室３における点火時期が概ね最適に設定されるので、ノッキングが発生しないようにしつつ内燃機関１から大きなトルクを得ることができる。
【００４５】
そして、内燃機関１では、ＥＣＵ２０によって図５に示される点火時期設定ルーチンが燃焼室３ごとに繰り返し実行される。この場合、ＥＣＵ２０は、まず、アクセルペダルの踏込量（操作量）を検出する図示されないアクセル位置センサからの信号に基づいて、内燃機関１の運転状態が定常であるか（過渡状態ではないか）否か判定する（Ｓ１０）。ＥＣＵ２０は、Ｓ１０にて内燃機関１の運転状態が定常であると判断すると、更に、燃焼割合ＭＦＢが目標値と一致するように点火時期をフィードバック制御すべきか否か判定する（Ｓ１２）。
【００４６】
Ｓ１２では例えば内燃機関１の始動時等に否定判断がなされ、この場合、ＥＣＵ２０は、Ｓ１３にて所定の点火設定フラグを「１」に設定した上で、Ｓ１５にて、図示されないエアフローメータにより測定される吸入空気量あるいはスロットルバルブ１０の開度等に基づいて、その時点の内燃機関１の負荷(充填効率)ＫＬを取得すると共に、クランク角センサ１４からの信号に基づいて、その時点の機関回転数ＮＥを取得する。更に、Ｓ１５において、ＥＣＵ２０は、対象となる燃焼室３について、所定の記憶領域から前サイクルの排気行程中の所定のタイミングにおける筒内圧力Ｐｅを読み出すと共に、所定の記憶領域から現サイクルの吸気上死点における筒内圧力ＰＴＤＣを読み出して上記（２）式から吸気上死点における燃焼室３内の温度（筒内温度）Ｔｃを求める。
【００４７】
そして、ＥＣＵ２０は、これらのパラメータを上記予測式（１）に代入して、対象となる燃焼室３の点火時期の予測値ＳＡ’を算出する（Ｓ１７）。本実施形態では、上述の係数ｗ１〜ｗ５が記憶装置に記憶されており、ＥＣＵ２０は、点火時期の予測値ＳＡ’を算出する演算器Ｃ（図７参照）を有している。演算器Ｃは、Ｓ１５にて取得した負荷ＫＬ、回転数ＮＥ、筒内圧力Ｐｅ、筒内温度Ｔｃ、および係数ｗ１〜ｗ５を用いて点火時期の予測値ＳＡ’を算出する。なお、Ｓ１３およびＳ１５において、筒内圧力Ｐｅや筒内圧力ＰＴＤＣを取得し得ない場合（存在しない場合）には、これらの値は「ゼロ」とされ、予測式（１）において筒内圧力Ｐｅや筒内温度Ｔｃの項が省略される。このようにして設定される点火時期ＳＡ’が到来すると、詳細については後述されるように、対象となる燃焼室３において点火プラグ７による点火が実行され（Ｓ２２参照）、更に点火が実行された燃焼室３について所定のタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢが算出される（Ｓ２４参照）。
【００４８】
一方、Ｓ１２にて燃焼割合ＭＦＢに基づいて点火時期をフィードバック制御すべきであると判断した場合、ＥＣＵ２０は、Ｓ１４にて上記点火設定フラグを「０」に設定（維持）する。更に、ＥＣＵ２０の積分器Ｉは、Ｓ２４にて前サイクル中に算出される燃焼割合ＭＦＢと目標値（目標ＭＦＢ＝５０％）との偏差に基づいて対象となる燃焼室３の点火時期を算出する（Ｓ１６）。更に、ＥＣＵ２０は、所定の比例項フラグが「１」であるか否か判定する（Ｓ１８）。Ｓ１８にて比例項フラグが「１」であると判断された場合、積分器Ｉの出力に対して比例項が付加（加算）され、積分器Ｉの出力に比例項を付加した値が点火時期ＳＡとして設定される（Ｓ２０）。
【００４９】
すなわち、図４に示されるように、ＥＣＵ２０は、燃焼割合ＭＦＢと目標値との偏差に所定のゲインＫｐを乗じる比例回路Ｐを有しており、上記比例項フラグが「１」である場合、図４のスイッチＳがオンされ、それにより、積分器Ｉの出力に対して、比例項Ｋｐ×（目標ＭＦＢ−燃焼割合ＭＦＢ）が加算されることになる（Ｓ２０）。また、比例項フラグが「０」であると判断された場合には、Ｓ１８の処理がスキップされて積分器Ｉの出力がそのまま点火時期ＳＡとして設定される。このようにして設定された点火時期ＳＡが到来すると、対象となる燃焼室３において点火プラグ７による点火が実行される（Ｓ２２）。
【００５０】
Ｓ２２にて点火プラグ７による点火が実行されると、ＥＣＵ２０は、点火が実行された燃焼室３について所定のタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢを算出し、所定の記憶領域に記憶させる（Ｓ２４）。Ｓ２４における燃焼割合ＭＦＢの算出に際して、ＥＣＵ２０は、まず、対象となる燃焼室３について所定の記憶領域から、吸気弁Ｖｉの閉弁後かつ点火前の第１のタイミング（クランク角がθ１となるタイミング）における筒内圧力Ｐ（θ１）と、点火の後かつ排気弁開弁前の第２タイミング（クランク角がθ２となるタイミング）における筒内圧力Ｐ（θ２）と、第１のタイミングと第２のタイミングとの間に予め定められており、クランク角＝θ０（ただし、θ１＜θ０＜θ２）となる所定のタイミングにおける筒内圧力Ｐ（θ０）とを読み出す。
【００５１】
クランク角θ１は、燃焼室３内において燃焼が開始される時点（点火時）よりも十分に前のタイミングに設定されると好ましく、例えば−６０°とされる。また、クランク角θ２は、燃焼室３内における混合気の燃焼が概ね完了したタイミングに設定されると好ましく、例えば９０°とされる。更に、第１のタイミングと第２のタイミングとの間の所定のタイミングは、燃焼割合ＭＦＢがほぼ５０％になることが実験的、経験的に知られているクランク角がθ０＝８°（上死点後８°）となるタイミングに設定されている。
【００５２】
なお、燃焼割合ＭＦＢがおよそ５０％となるクランク角は、内燃機関の冷却損失によって変化するものであり、機種によって上死点後８°から多少前後する。また、成層燃焼運転が実行される場合や、ディーゼルエンジンの場合、それぞれに応じた最適燃焼開始時期（ＭＢＴ）を求めればよく、そのＭＢＴでの燃焼割合は容易に算出することができる。更に、上述の第１のタイミングθ１、第２のタイミングθ２および閾値γは、機関回転数および負荷に応じて設定されてもよく、この場合、第１のタイミングθ１、第２のタイミングθ２および閾値γを内燃機関１の回転数および負荷に応じて規定するマップを用意しておくとよい。
【００５３】
ＥＣＵ２０は、筒内圧力Ｐ（θ１）、筒内圧力Ｐ（θ０）および筒内圧力Ｐ（θ２）を読み出すと、クランク角がθ１，θ０およびθ２となる時の積値Ｐ（θ１）・Ｖκ（θ１），Ｐ（θ０）・Ｖκ（θ０）およびＰ（θ２）・Ｖκ（θ２）を算出する。すなわち、ＥＣＵ２０は、筒内圧力Ｐ（θ１）と、筒内圧力Ｐ（θ１）の検出時、すなわち、クランク角がθ１となる時の筒内容積Ｖ（θ１）を比熱比κ（本実施形態では、κ＝１．３２）で累乗した値との積である積値Ｐ（θ１）・Ｖκ（θ１）を算出する。
【００５４】
同様に、ＥＣＵ２０は、筒内圧力Ｐ（θ０）と、クランク角がθ０となる時の筒内容積Ｖ（θ０）を比熱比κで累乗した値との積である積値Ｐ（θ０）・Ｖκ（θ０）、および、筒内圧力Ｐ（θ２）と、クランク角がθ２となる時の筒内容積Ｖ（θ２）を比熱比κで累乗した値との積である積値Ｐ（θ２）・Ｖκ（θ２）を算出する。なお、Ｖκ（θ１），Ｖκ（θ０）およびＶκ（θ２），の値は、予め算出された上で記憶装置に記憶されている。
【００５５】
そして、ＥＣＵ２０は、クランク角がθ１，θ０およびθ２となる時の積値Ｐ（θ１）・Ｖκ（θ１），Ｐ（θ０）・Ｖκ（θ０）およびＰ（θ２）・Ｖκ（θ２）を用いて、次の（６）式からクランク角がθ０となるタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢを算出する（Ｓ２４）。これにより、３点において検出された筒内圧力Ｐ（θ１），Ｐ（θ０），Ｐ（θ２）に基づいて精度よく燃焼割合を求めることが可能となり、演算負荷を大幅に低減させることができる。
【００５６】
【数６】
2006144642.tif 000008
【００５７】
ＥＣＵ２０は、Ｓ２４の処理の後、上述の点火設定フラグが「０」であるか否か判定する（Ｓ２６）。Ｓ２６にて点火設定フラグが「０」であり、燃焼割合ＭＦＢに基づいて点火時期ＳＡが設定されていると判断した場合、ＥＣＵ２０は、所定の記憶領域に記憶されている少なくとも１サイクル前（好ましくは、数サイクル前）の燃焼割合ＭＦＢｏｌｄを読み出し、Ｓ２４にて算出した燃焼割合ＭＦＢと燃焼割合ＭＦＢｏｌｄとの偏差の絶対値ΔＭＦＢを算出する（Ｓ２８）。更に、ＥＣＵ２０は、Ｓ２８にて算出したΔＭＦＢが所定の閾値（正の所定値）εを下回っているか否か判定する（Ｓ３０）。Ｓ３０にてΔＭＦＢが閾値εを下回っていると判断した場合、ＥＣＵ２０は、上記比例項フラグを「０」に設定する（Ｓ３２）。また、ＥＣＵ２０は、Ｓ３０にてΔＭＦＢが閾値ε以上となっており、サイクル間の燃焼割合の変動が大きいと判断した場合、上記比例項フラグを「１」に設定する（Ｓ３４）。
【００５８】
Ｓ３２またはＳ３４の処理の後、ＥＣＵ２０は、Ｓ２４にて求めた燃焼割合ＭＦＢから目標値である「５０％」を減じた値の絶対値｜ＭＦＢ−５０｜が所定の閾値（正の所定値）γ以下となっているか否か判定する（Ｓ３６）。すなわち、Ｓ３６では、Ｓ２４にて算出されたクランク角がθ０＝８°となる時の燃焼割合ＭＦＢと、クランク角がθ０＝８°となる時の燃焼割合の理論値（目標値）５０（％）との偏差が求められ、当該偏差が閾値γ以下となっているか否か、および、当該偏差が−γ以上となっているか否かが判定される。
【００５９】
ＥＣＵ２０は、Ｓ３６にて、｜ＭＦＢ−５０｜が上記閾値γ以下となっており、燃焼割合ＭＦＢに基づいて算出された点火時期ＳＡが概ね最適になっていると判断すると、逐次最小二乗法（ＲＬＳ）を用いて、点火時期を予測するための上記予測式（１）の係数ｗ１〜ｗ５を最適化する（Ｓ３８）。Ｓ３８において、ＥＣＵ２０は、Ｓ１６における点火時期の算出時の内燃機関１の負荷(充填効率)ＫＬおよび機関回転数ＮＥ、前サイクルの排気行程中の所定のタイミングにおける筒内圧力Ｐｅ、並びに、現サイクルの吸気上死点における筒内温度Ｔｃを取得する（なお、これらのパラメータは、Ｓ１５にて取得されるものと実質的に同一のものである）。そして、ＥＣＵ２０は、逐次最小二乗法により、これらの負荷ＫＬ、回転数ＮＥ、筒内圧力Ｐｅ、および筒内温度ＴｃのもとでＳ２０にて用いられた点火時期ＳＡを満たす係数ｗ１〜ｗ５を算出し、記憶装置に記憶されている係数ｗ１〜ｗ５をＳ３８にて算出した新たな値により更新する。
【００６０】
このように、内燃機関１では、ＥＣＵ２０（積分器Ｉ等）によって算出された点火時期ＳＡが用いられる際に、燃焼割合ＭＦＢと目標値（５０％）とが概ね一致し、対象となる燃焼室３における点火時期ＳＡが概ね最適になっていると判断される場合に、予測式（１）の係数ｗ１〜ｗ５が最適化・更新される（Ｓ３８）。これにより、燃焼割合ＭＦＢに基づいて点火時期ＳＡが算出されている状態から、予測式（１）を用いた点火時期ＳＡ’の予測が実行されるようになった際に、点火時期ＳＡ’の予測精度を向上させることが可能となる。なお、Ｓ２６にて、点火設定フラグが「１」であると判断された場合、上述のＳ２８からＳ３８までの処理はスキップされる。
【００６１】
Ｓ３８の処理の実行後、あるいは、Ｓ２６にて否定判断を行った場合、ＥＣＵ２０は、上述のＳ１０以降の処理を再度実行する。ここで、Ｓ３０にて、ΔＭＦＢが閾値ε以上となっており、サイクル間の燃焼割合の変動が大きいと判断され、Ｓ３４にて比例項フラグが「１」に設定されている場合、Ｓ１０およびＳ１２にてそれぞれ肯定判断がなされた後のＳ１８では、比例項フラグが「１」であると判断される。従って、この場合には、次のＳ２０の処理が実行され、積分器Ｉの出力に比例項を付加した値が点火時期ＳＡとして設定されることになる。これにより、内燃機関１では、サイクル間の燃焼割合ＭＦＢの変動が大きい場合には、それを速やかに収束させ、最適な点火時期を精度よく算出することが可能となる。
【００６２】
図６は、上述のＳ１０にて内燃機関１が過渡状態にあると判断された場合の点火時期の設定手順を説明するためのフローチャートである。図６に示されるように、Ｓ１０にて内燃機関１が過渡状態にあると判断された場合も、ＥＣＵ２０の積分器Ｉにより、前サイクル中に算出される燃焼割合ＭＦＢと目標値（目標ＭＦＢ＝５０％）との偏差に基づいて対象となる燃焼室３について点火時期ＳＡが算出され、所定の記憶領域に記憶される（Ｓ４０）。ただし、内燃機関１が過渡状態にある場合、Ｓ４０で算出された点火時期ＳＡは無効とされ、実際の点火時期として用いられることはなく、Ｓ４０の処理の後、上述の予測式（１）を用いて点火時期ＳＡ’が求められる（Ｓ４２，Ｓ４４）。
【００６３】
すなわち、過渡状態においては、燃焼室３における燃焼割合ＭＦＢに基づく点火時期ＳＡの算出を行っても、最適な点火時期を応答性よく定めることが困難となることもある。これに対して、内燃機関１の負荷ＫＬおよび回転数ＮＥに加えて、筒内圧力Ｐｅや筒内温度Ｔｃといった燃焼室３内の情報をパラメータとする上記予測式（１）を用いることにより、過渡時、更には燃焼室３内の残留ガスが多くなる場合のような特異な条件下であっても、適切な点火時期を精度よく得ることが可能となる。従って、Ｓ１０にて内燃機関１が過渡状態にあると判断された際には、予測式（１）を用いて算出される値ＳＡ’が点火時期として定められ、これにより、燃焼室３における点火時期を良好に最適化することが可能となる。
【００６４】
ＥＣＵ２０は、Ｓ４２にて、図示されないエアフローメータにより測定される吸入空気量あるいはスロットルバルブ１０の開度等に基づいて、その時点の内燃機関１の負荷(充填効率)ＫＬを取得すると共に、クランク角センサ１４からの信号に基づいて、その時点の機関回転数ＮＥを取得する。更に、Ｓ４２において、ＥＣＵ２０は、対象となる燃焼室３について、所定の記憶領域から前サイクルの排気行程中の所定のタイミングにおける筒内圧力Ｐｅを読み出すと共に、所定の記憶領域から現サイクルの吸気上死点における筒内圧力ＰＴＤＣを読み出して上記（２）式から吸気上死点における燃焼室３内の温度（筒内温度）Ｔｃを求める。
【００６５】
そして、ＥＣＵ２０（演算器Ｃ）は、これらのパラメータを上記予測式（１）に代入して、対象となる燃焼室３の点火時期の予測値ＳＡ’を算出する（Ｓ４４）。なお、Ｓ４２およびＳ４４においても、筒内圧力Ｐｅや筒内圧力ＰＴＤＣを取得し得ない場合（存在しない場合）には、これらの値は「ゼロ」とされ、予測式（１）において筒内圧力Ｐｅや筒内温度Ｔｃの項が省略される。このようにして設定される点火時期ＳＡ’が到来すると、対象となる燃焼室３において点火プラグ７による点火が実行される（Ｓ４６）。
【００６６】
Ｓ４６にて対象となる燃焼室３において点火が実行されると、Ｓ４８にて、当該燃焼室３について所定のタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢが算出され、算出された燃焼割合ＭＦＢは、図７に示されるように、積分器Ｉにフィードバックされる。そして、Ｓ４８の後、Ｓ４４にて予測式（１）を用いて算出された点火時期ＳＡ’と、Ｓ４０にて積分器Ｉによって算出される点火時期ＳＡとが所定範囲内で一致しない場合には、図７のスイッチＳ２が図中右側にオンされ、両者の偏差（ＳＡ’−ＳＡ）が求められ、算出された偏差（ＳＡ’−ＳＡ）に所定のゲインＫｅを乗じた値が、図７に示されるように、積分器Ｉにフィードバックされる（Ｓ５０）。なお、点火時期ＳＡ’と同ＳＡとが概ね等しい（ＳＡ’≒ＳＡ）場合には、図７のスイッチＳ２が図中左側にオンされ、ここでの偏差が（ＳＡ−ＳＡ）すなわち「ゼロ」と算出される。したがって、この場合には積分器Ｉへのフィードバック量がゼロとなり、積分制御のみが行われることになる。
【００６７】
これにより、Ｓ１０にて内燃機関１が過渡状態にあると判断され、予測式（１）を用いて算出される値ＳＡ’が点火時期として用いられる間、積分器Ｉは、前サイクルのＳ４８にて算出される燃焼割合ＭＦＢと、前サイクルのＳ５０にて算出される点火時期ＳＡ’と点火時期ＳＡとの偏差とに基づいて点火時期ＳＡを継続して算出することになる。この結果、いわゆるアンチワインドアップ化を図ることが可能となり、ＥＣＵ２０の処理が、上記予測式（１）を用いた点火時期ＳＡ’の予測（Ｓ４０〜Ｓ５０）から、燃焼割合ＭＦＢに基づく点火時期の算出（Ｓ１４〜Ｓ３８）へと移行した際のオーバーシュートを確実に抑制することが可能となる。
【００６８】
Ｓ５０の処理の後、ＥＣＵ２０は、上述のＳ１０以降の処理を再度実行する。これにより、内燃機関１では、燃焼割合ＭＦＢに基づく点火時期の算出（Ｓ１４〜Ｓ３８）と、予測式（１）を用いた点火時期ＳＡ’の予測（Ｓ４０〜Ｓ５０）とが運転条件に応じて切り換えられることになり、点火時期の最適化を常時良好に実行可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明において用いられる積値ＰＶκと、燃焼室内における熱発生量との相関を示すグラフである。
【図２】積値ＰＶκに基づいて求められる燃焼割合と、熱発生率に基づいて求められる燃焼割合との相関を示すグラフである。
【図３】本発明による制御装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。
【図４】本発明による制御装置による点火時期の設定を説明するための制御ブロック図である。
【図５】本発明による制御装置による点火時期の制御手順を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明による制御装置による点火時期の制御手順を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明による制御装置による点火時期の設定を説明するための制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  内燃機関
３  燃焼室
７  点火プラグ
１０            スロットルバルブ
１２  インジェクタ
１４  クランク角センサ
１５  筒内圧センサ
２０  ＥＣＵ
Ｖｅ  排気弁
Ｖｉ  吸気弁
Ｃ  演算器
Ｉ  積分器
【図１】
2006144642.tif 000009
【図２】
2006144642.tif 000010
【図３】
2006144642.tif 000011
【図４】
2006144642.tif 000012
【図５】
2006144642.tif 000013
【図６】
2006144642.tif 000014
【図７】
2006144642.tif 000015