(57)【要約】【課題】多大なデータマップを必要とすることなく、多大な実機適合を実施することなく、精度よく内燃機関の点火時期を制御する。【解決手段】内燃機関を模擬した数値シミュレーション装置により点火時期を制御するためのマップデータを演算し、点火時期を制御するためのマップデータを回帰モデルで近似し、検知された運転条件にもとづき回帰モデルにより点火時期を演算する。【選択図】図２
2006200396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の運転条件を検知する手段を備えた内燃機関の点火時期制御装置であって、
点火時期制御のマップデータに近似した回帰モデルを実装され、検知された運転条件に基づき、前記回帰モデルによる演算によって点火時期を決定し、点火時期制御を行うことを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項２】
前記回帰モデルは、内燃機関の回転速度のみの項、負荷のみの項、補正変数のみの項、回転速度と負荷の交互作用項、補正変数と回転速度の交互作用項、補正変数と負荷の交互作用項、回転速度と負荷と補正変数の交互作用項のうちで少なくとも一つ以上の項で構成される多項式であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項３】
前記回帰モデルが基準関数部と補正関数部とに分類され、基準関数で演算される点火時期基準値と、前記補正関数部で演算される点火時期補正値との和をもって点火時期を決定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項４】
前記基準関数が、前記回転速度のみの項、前記負荷のみの項、前記回転速度と前記負荷の交互作用項のうちで少なくとも一つ以上の項で構成される多項式であり、前記補正関数が、前記補正変数のみの項、前記補正変数と前記回転速度の交互作用項、前記補正変数と前記負荷の交互作用項、前記回転速度と前記負荷と前記補正変数の交互作用項のうちで少なくとも一つ以上の項で構成される多項式であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項５】
前記補正変数に吸気弁の動作特性値を備え、前記吸気弁の動作特性値を補正変数として、前記補正関数で吸気弁動作特性に基づく点火時期補正値を演算することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項６】
前記補正変数に吸気温度を備え、前記吸気温度を補正変数として、前記補正関数で吸気温度に基づく点火時期補正値を演算することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項７】
前記補正変数に当量比を備え、前記当量比を補正変数として、前記補正関数で当量比に基づく点火時期補正値を演算することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項８】
前記補正変数にＥＧＲ率を備え、前記ＥＧＲ率を補正変数として、前記補正関数でＥＧＲ率にもとづく点火時期補正値を演算することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項９】
補正変数を複数有する場合に、補正変数毎に前記補正関数にもとづき前記補正変数にもとづく点火時期補正値を演算し、前記補正変数毎に演算された点火時期補正値の総和をもって全点火時期補正値とすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項１０】
前記基準関数を前記回転速度と前記負荷を独立変数とした二元三次多項式で決定し、前記補正関数を前記回転速度、前記負荷および前記補正変数を独立変数とした三元三次多項式で決定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項１１】
近似されたＭＢＴ回帰モデルで演算されたＭＢＴと、近似されたノックリタード回帰モデルで演算されたノックリタードとの和をもって点火時期を決定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項１２】
内燃機関を模擬した数値シミュレーション装置によって点火時期を制御するためのマップデータを演算し、当該マップデータを回帰モデルで近似して点火時期制御ロジックを作成することを特徴とする点火時期制御ロジック作成装置。
【請求項１３】
前記回帰モデルは、各項にマップデータを精度よく近似するべく決定された偏回帰係数が乗じられており、前記偏回帰係数の乗じられている項の点火時期に対する影響度を前記偏回帰係数の絶対値の大小関係をもとに評価し、前記点火時期に対する影響度が所定の値以下のとき、前記偏回帰係数の乗じられている項を前記回帰モデルから削除することを特徴とする請求項１２に記載の点火時期制御ロジック作成装置。
【請求項１４】
前記点火時期を制御するためのマップデータが、ＭＢＴマップとノックリタードマップとで構成され、ＭＢＴマップを回帰モデルで近似し、ノックリタードマップを回帰モデルで近似することを特徴とする請求項１２に記載の点火時期制御ロジック作成装置。
【請求項１５】
前記点火時期を制御するためのマップデータを運転領域でより細分化し、分割されたマップデータを前記回帰モデルで近似することを特徴とする請求項１２に記載の点火時期制御ロジック作成装置。
【請求項１６】
回帰モデルの次数を要求制御精度に応じて設定することを特徴とする請求項１２に記載の点火時期制御ロジック作成装置。
【請求項１７】
前記数値シミュレーション装置は、少なくともシリンダ容積を演算し、吸排気過程のシリンダ内ガスの質量変化を演算し、燃焼過程の熱発生を演算し、熱損失を演算し、ノック発生の有無を判別し、前記数値シミュレーションをもとに１サイクルの筒内圧力とシリンダ容積との関係を演算し、前記筒内圧力とシリンダ容積との関係をもとに図示トルクを演算し、前記図示トルクと点火時期との関係からＭＢＴを演算し、前記ノック発生の有無を判別してノック限界を演算することを特徴とする請求項１２に記載の点火時期制御ロジック作成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の点火時期制御装置および点火時期制御ロジック作成装置に係り、特に、可変制御型の内燃機関の点火時期制御に適した点火時期制御装置および点火時期制御ロジック作成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子制御式内燃機関のＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）は、点火時期制御のために、あらかじめ想定される運転条件についてトルクの最大となる点火時期、つまり、ＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｓｐａｒｋ  Ａｄｖａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｂｅｓｔ  Ｔｏｒｑｕｅ）を、エンジン回転速度と負荷を両軸とする点火時期マップをメモリに格納している。
【０００３】
ＥＣＵは、最適な点火時期を、時々刻々の内燃機関の運転条件や周囲環境に応じて点火時期マップを参照して決定し、その点火時期によって点火装置により気筒内の混合気を点火する制御を行う。これにより、ノックを生じることなく、最大トルクとなるタイミングで点火が行われる。
【０００４】
ＥＣＵのメモリに格納する点火時期マップは、内燃機関の開発段階において、あらかじめ実機を用いた適合試験をもとに作成される。
【０００５】
近年は、排気浄化や燃料消費削減の観点から、内燃機関を構成するアクチュエータを運転条件や周囲環境の変化に応じて、その動作特性を種々に変化させるような可変制御型の内燃機関が一般化している。
【０００６】
例えば、特定運転域では、混合気中の燃料濃度を減少させて希薄燃焼を行う内燃機関や、ＥＧＲにより機関燃焼室内に排気ガスを供給する内燃機関、さらには、吸排気弁の動作特性を任意に変化させることができる可変動弁機構を搭載した内燃機関などが開発されている。
【０００７】
燃料濃度（混合気空燃比）やＥＧＲ濃度、吸排気弁の動作特性などは、気筒（シリンダ）内の混合気の燃焼状態を変化させるため、これらの制御パラメータの組み合わせに応じて点火時期を適宜変化させることが必要となる。
【０００８】
このような内燃機関に、従来手法である実機適合試験を実施すると、開発期間や開発コストの増加といった問題を生じる。また、想定される全ての運転条件について、点火時期マップを参照するためには、膨大な容量のデータマップをＥＣＵに搭載する必要を生じ、ＥＣＵのメモリ容量の増大といった問題を生じる。
【０００９】
以上のような背景から、機関燃焼室内に供給される燃料ガス（混合気）の質量や混合気の燃焼速度などの諸量を、エンジン回転速度や負荷に応じて、物理モデルをもとに演算し、これをもとにＭＢＴを演算する点火時期制御装置がある（例えば、特許文献１）。
【００１０】
また、内燃機関の圧縮行程開始時の気筒内燃料ガスがもつ内部エネルギや、ピストン圧縮仕事、壁面へのエネルギ損失、燃焼速度などの諸量を、物理モデルにより演算し、これらをもとにノック限界を演算する点火時期制御装置がある（例えば、特許文献２）。
【００１１】
これらは、いずれも、機関燃焼室内の燃焼状態を記述する複数の物理モデルを用いて、内燃機関の運転時に、ＥＣＵにおいて、ＭＢＴあるいはノック限界をオンライン（リアルタイム）で演算しようとするものである。それにより、多大な実機適合試験を要することがなく、膨大なデータマップを必要とすることもない。
【００１２】
また、各種制御パラメータの数値マップをＥＣＵに擁し、機関運転状態をもとに数値マップを参照して内燃機関を制御する装置において、上述する数値マップが内燃機関を模擬した数値シミュレーション装置により求められるような内燃機関の制御装置がある（例えば、特許文献３）。この制御装置では。膨大な数値マップを必要とするときも、これを数値シミュレーション装置により作成することで、実機による適合工程を省略することができる。
【００１３】
しかしながら、物理モデルの演算は、マップ検索の演算に比して演算工数が極めて大きいため、これをＥＣＵにおいて機関運転中に実行するには、ＥＣＵに高度な演算処理能力が要求される。
【００１４】
他方、別途設けた数値シミュレーション装置によって数値マップを作成する場合であっても、制御パラメータを複数備えた内燃機関では、数値マップの数が膨大となり、ＥＣＵに多大な容量のメモリを備える必要がある。
【００１５】
上述したこれらの技術は、実機による適合工数を大幅に省略することができるため開発コストの削減効果を期待できるものの、実用に供するには、ＥＣＵに対するコストの大幅な増加といった課題を、なお残している。
【００１６】
【特許文献１】特開平１０−３０５３５号公報
【特許文献２】特開２００３−４９７５８号公報
【特許文献３】特開２００４−１００４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明が解決しようとする課題は、内燃機関を構成する要素の動作特性を任意に変化させることのできる可変制御型の内燃機関であっても、実機における適合工数を削減し、かつＥＣＵの演算工数の大幅な増加やメモリ容量の増大をすることなく、最適な点火時期をＥＣＵにおいて精度よく演算、最適点火時期制御を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、内燃機関の運転条件を検知する手段を備えた内燃機関の点火時期制御装置において、点火時期制御のマップデータに近似した回帰モデルを実装され、検知された運転条件に基づき、前記回帰モデルによる演算によって点火時期を決定し、点火時期制御を行う。
【００１９】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、好ましくは、前記回帰モデルは、内燃機関の回転速度のみの項、負荷のみの項、補正変数のみの項、回転速度と負荷の交互作用項、補正変数と回転速度の交互作用項、補正変数と負荷の交互作用項、回転速度と負荷と補正変数の交互作用項のうちで少なくとも一つ以上の項で構成される多項式である。
【００２０】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、好ましくは、前記回帰モデルが基準関数部と補正関数部とに分類され、基準関数で演算される点火時期基準値と、前記補正関数部で演算される点火時期補正値との和をもって点火時期を決定する。
【００２１】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、好ましくは、前記基準関数が、前記回転速度のみの項、前記負荷のみの項、前記回転速度と前記負荷の交互作用項のうちで少なくとも一つ以上の項で構成される多項式であり、前記補正関数が、前記補正変数のみの項、前記補正変数と前記回転速度の交互作用項、前記補正変数と前記負荷の交互作用項、前記回転速度と前記負荷と前記補正変数の交互作用項のうちで少なくとも一つ以上の項で構成される多項式である。
【００２２】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、好ましくは、前記補正変数に吸気弁の動作特性値を備え、前記吸気弁の動作特性値を補正変数として、前記補正関数で吸気弁動作特性に基づく点火時期補正値を演算する。
【００２３】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、好ましくは、前記補正変数に吸気温度を備え、前記吸気温度を補正変数として、前記補正関数で吸気温度に基づく点火時期補正値を演算する。
【００２４】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、好ましくは、前記補正変数に当量比を備え、前記当量比を補正変数として、前記補正関数で当量比に基づく点火時期補正値を演算する。
【００２５】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、好ましくは、前記補正変数にＥＧＲ率を備え、前記ＥＧＲ率を補正変数として、前記補正関数でＥＧＲ率にもとづく点火時期補正値を演算する。
【００２６】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、好ましくは、補正変数を複数有する場合に、補正変数毎に前記補正関数にもとづき前記補正変数にもとづく点火時期補正値を演算し、前記補正変数毎に演算された点火時期補正値の総和をもって全点火時期補正値とする。
【００２７】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、好ましくは、前記基準関数を前記回転速度と前記負荷を独立変数とした二元三次多項式で決定し、前記補正関数を前記回転速度、前記負荷および前記補正変数を独立変数とした三元三次多項式で決定する請求項３記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【００２８】
この発明による内燃機関の点火時期制御装置は、好ましくは、近似されたＭＢＴ回帰モデルで演算されたＭＢＴと、近似されたノックリタード回帰モデルで演算されたノックリタードとの和をもって点火時期を決定する。
【００２９】
この発明による点火時期制御ロジック作成装置は、内燃機関を模擬した数値シミュレーション装置によって点火時期を制御するためのマップデータを演算し、当該マップデータを回帰モデルで近似して点火時期制御ロジックを作成する。
【００３０】
この発明による点火時期制御ロジック作成装置は、好ましくは、前記回帰モデルは、各項にマップデータを精度よく近似するべく決定された偏回帰係数が乗じられており、前記偏回帰係数の乗じられている項の点火時期に対する影響度を前記偏回帰係数の絶対値の大小関係をもとに評価し、前記点火時期に対する影響度が所定の値以下のとき、前記偏回帰係数の乗じられている項を前記回帰モデルから削除する。
【００３１】
この発明による点火時期制御ロジック作成装置は、好ましくは、前記点火時期を制御するためのマップデータが、ＭＢＴマップとノックリタードマップとで構成され、ＭＢＴマップを回帰モデルで近似し、ノックリタードマップを回帰モデルで近似する。
【００３２】
この発明による点火時期制御ロジック作成装置は、好ましくは、前記点火時期を制御するためのマップデータを運転領域でより細分化し、分割されたマップデータを前記回帰モデルで近似する請求項１２記載の点火時期制御ロジック作成装置。
【００３３】
この発明による点火時期制御ロジック作成装置は、好ましくは、回帰モデルの次数を要求制御精度に応じて設定する。
【００３４】
この発明による点火時期制御ロジック作成装置は、好ましくは、前記数値シミュレーション装置は、少なくともシリンダ容積を演算し、吸排気過程のシリンダ内ガスの質量変化を演算し、燃焼過程の熱発生を演算し、熱損失を演算し、ノック発生の有無を判別し、前記数値シミュレーションをもとに１サイクルの筒内圧力とシリンダ容積との関係を演算し、前記筒内圧力とシリンダ容積との関係をもとに図示トルクを演算し、前記図示トルクと点火時期との関係からＭＢＴを演算し、前記ノック発生の有無を判別してノック限界を演算する。
【発明の効果】
【００３５】
この発明による点火時期制御装置は、点火時期制御のマップデータに近似した回帰モデルを実装され、検知された運転条件に基づき、前記回帰モデルによる演算によって点火時期を決定し、点火時期制御を行うから、点火時期制御装置にはマップを搭載する必要がなく、計算負荷の大きい物理モデルをＥＣＵにおいて演算する必要もなく、マップ検索に比して点火時期制御装置のメモリ容量を軽減することができ、しかも、物理モデルの直接演算に比して点火時期制御装置の演算負荷軽減もできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
（内燃機関の全体構成）
まず、本発明による点火時期制御装置を適用される電子制御式内燃機関の全体構成の一つの実施形態を、図１を参照して説明する。
【００３７】
内燃機関（シリンダブロック）１０の吸気ポート１０Ａには吸気流路１１が、排気ポート１０Ｆには排気流路１２が各々連通している。
【００３８】
吸気流路１１には吸気温度センサ１３が組付けられている。吸気温度センサ１３の下流にはエアフローセンサ１４が組付けられている。
【００３９】
エアフローセンサ１４の下流にはスロットル弁１５が設けられている。スロットル弁１５は、アクセル踏量とは個別に独立してスロットル開度を制御することができる電子制御式スロットル弁である。
【００４０】
スロットル弁１５の下流にはサージタンク１６が連通している。サージタンク１６には吸気管内圧力センサ１７が組付けられている。サージタンク１６の下流には吸気ポート１０Ａに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１８が配置されている。
【００４１】
内燃機関１０は、開弁位相を可変とする可変動弁機構付き吸気弁１９を備えている。吸気弁１９は吸気ポート１０Ａを開閉するものであり、その可変動弁機構には開弁位相を検知するためのカム角センサ２０が組付けられている。
【００４２】
内燃機関１０は、シリンダボア１０Ｂにピストン１０Ｃを往復動可能に有し、ピストン１０Ｃとシリンダヘッド部１０Ｄとの間に燃焼室２２を画定している。
【００４３】
シリンダヘッド部１０Ｄには電極部２３Ａを燃焼室２２内に露出させた点火プラグ２３が組付けられている。内燃機関１０にはノックの発生を検知するノックセンサ２４が組付けられている。クランク軸１０Ｅにはクランク角度センサ２５が組付けられている。
【００４４】
内燃機関１０の排気ポート１０Ｆは排気弁２１により開閉される。排気流路１２にはＡ／Ｆセンサ２６が組付けられている。排気流路１２には排気流路１２から吸気流路１１へ排気ガスを還流させるためのＥＧＲ管２７が備えられている。ＥＧＲ管２７の流路中にはＥＧＲ量を調節するためのＥＧＲ弁２８が配置されている。
【００４５】
本実施形態のシステムはＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２９を備えている。ＥＣＵ２９には、上述した各種センサが接続されている。
【００４６】
スロットル弁１５、燃料噴射弁１８、可変動弁機構付き吸気弁１９およびＥＧＲ弁２８などのアクチュエータはＥＣＵ２９により制御されている。また、上述した各種センサから入力された信号に基づいて内燃機関１０の運転状態を検知し、運転状態に応じてＥＣＵ２９により決定されたタイミング（点火時期）で点火プラグ２３が点火を行う。
【００４７】
（点火時期制御ロジック作成−点火時期制御実行の過程）
つぎに、点火時期制御ロジックを作成し、これをＥＣＵ２９において実行するまでの過程を、図２を参照して説明する。
【００４８】
点火時期制御ロジック作成部５０は、数値シミュレーション装置５１と、マップ作成手段５２と、回帰モデル作成手段５３とを有する。
【００４９】
点火時期制御ロジック作成においては、まず、数値シミュレーション装置５１において、制御対象の内燃機関のシリンダ内圧力および温度を演算する。この演算にあったては、機関運転条件、機関諸元およびシリンダ内の物理現象を求めるための物理モデルが考慮される。数値シミュレーション装置において実施される演算過程は、後に示す図３においてその詳細が説明されている。
【００５０】
次に、マップ作成手段５２は、数値シミュレーション装置５１によって求められるシリンダ容積と圧力および温度の関係をもとに求められるＭＢＴおよびノック限界を種々の運転条件で取得することで、ＭＢＴマップならびにノックリタードマップを作成する。
【００５１】
次に、回帰モデル作成手段５３は、上記作成されたＭＢＴマップおよびノックリタードマップをそれぞれ回帰モデルで近似する。
【００５２】
回帰モデルとは、マップデータを従属変数とし、マップを構成する複数の軸を独立変数とした多元高次多項式である。上記多元高次多項式中に含まれる各項には偏回帰係数が乗じられている。偏回帰係数は、回帰モデル中の各項の従属変数に対する影響の度合いを示している。
【００５３】
回帰モデルの作成においては、各独立変数におけるマップデータの変化率を考慮して、マップデータを最もよく近似するための多元高次多項式が選定される。つぎに、当該各項に乗じられている偏回帰係数について、マップデータを最もよく近似するような上記偏回帰係数を最小二乗法で決定する。
【００５４】
点火時期制御ロジック作成部５０によって決定された回帰モデルならびに偏回帰係数は、ＭＢＴおよびノックリタードについて、点火時期演算部６０に実装される。点火時期制御ロジック演算部５０はＥＣＵ２９によって具現される。
【００５５】
ＥＣＵ２９では、車両運転時に検出される各種センサからの信号や各種アクチュエータを駆動するための信号をもとに機関運転状態を検知する。運転条件の検出には以下の各諸量が考慮される。
【００５６】
機関回転速度は単位時間当たりのクランク角度センサ２５からのパルス信号をもとに検出される。機関負荷は吸気管内圧力を検出することで取得することができる。
【００５７】
ここで、機関負荷の検出は吸気管内圧力の検出のみに限定されるものではなく、一サイクル当たりの吸入空気量、充填効率、空燃比あるいはスロットル弁開度などの信号をもとに機関負荷を取得することとしてもよい。また、車軸にトルクセンサを備え、直接的に発生するトルクを検出することとしてもよい。
【００５８】
次に、補正変数としては、吸気弁動作特性値、吸気温度、当量比ならびに外部ＥＧＲ率などが考慮される。吸気弁動作特性値とは吸気弁の開弁時期や、吸気開弁時期と排気開弁時期とのオーバーラップ期間などである。
【００５９】
吸気温度は吸気温度センサ１３にて検出することができる。当量比はＥＣＵより発生される燃料噴射弁駆動信号とエアフローセンサ１４より検知される吸入空気量と機関回転速度をもとに取得することができる。外部ＥＧＲ率はＥＧＲ弁２８の開弁角、回転速度ならびに吸気管内圧力を検出することで推定することができる。あるいはＥＧＲ管２７中に流量を計測するセンサを備え直接的にＥＧＲ率を検知することとしてもよい。
【００６０】
上述した回転速度、負荷、吸気弁動作特性値、吸気温度、当量比ならびにＥＧＲ率などの運転条件がＥＣＵの点火時期演算部６０に入力される。
【００６１】
点火時期演算部６０には、ＭＢＴ基準値を演算するためのＭＢＴ基準関数、ＭＢＴ補正値を演算するためのＭＢＴ補正関数、ノックリタード基準値を演算するためのノックリタード基準関数およびノックリタード補正値を演算するためのノックリタード補正関数が実装されている。
【００６２】
点火時期演算部６０は、上述した各関数によってＭＢＴ基準値、ＭＢＴ補正値、ノックリタード基準値、ノックリタード補正値を順次演算し、機関運転条件に対応する点火時期を出力する。
【００６３】
上述したように、数値シミュレーション装置５１により点火時期を制御するためのマップデータを演算し、当該マップを回帰モデルで近似し、内燃機関の運転条件に基づき回帰モデルにより点火時期を演算する構成とすることで、ＥＣＵ２９には点火時期のデータマップを搭載する必要がなく、計算負荷の大きい物理モデルをＥＣＵ２９において演算する必要もない。
【００６４】
従って、マップ検索に比してＥＣＵ２９のメモリ容量を軽減することができる上に、物理モデルの直接演算に比してＥＣＵ２９の演算負荷軽減もできる。
【００６５】
（数値シミュレーション）
つぎに、数値シミュレーション装置５１において実行される演算過程を、図３を用いて説明する。
まず、ステップ１０１において、機関運転条件を入力する。機関運転条件としては機関回転速度、吸気管内圧力、吸気弁動作特性、吸気温度、当量比、外部ＥＧＲ率および壁面温度などが挙げられる。
【００６６】
次に、ステップ１０２において、機関諸元の設定を行う。機関諸元としては、ボア、ストローク、圧縮比および燃焼室形状などが挙げられる。さらに、吸排気バルブの形状寸法やバルブの開弁特性などの設定を行う。吸排気系を考慮する場合には吸排気管の内径ならびに管長を設定する。
【００６７】
以上の条件のもとで、以下に説明するステップ１０３から１０８を、各クランク角度毎に、繰返し演算することにより、シリンダ内圧力および温度の推移を演算する。
【００６８】
ステップ１０３において、ピストン運動に伴うシリンダ内容積変化率の演算を行う。シリンダ内容積には、少なくとも、クランク角度、ボア、ストローク、圧縮比およびコンロッド長さとクランク半径の比が考慮される。
【００６９】
ステップ１０４において、吸排気過程におけるシリンダ内ガスの質量変化率の演算を行う。ステップ１０４では、まず、クランク角度から吸気過程であるか、排気過程であるかを判別する。
【００７０】
吸排気過程である場合には、弁の開口面積と吸気管内圧力、排気管内圧力およびシリンダ内圧力との関係から弁開口部を流入、流出するガスの質量が求められる。
【００７１】
吸気管内圧力とシリンダ内圧力との比が増加するほど、吸気弁開口面積が増加するほど吸気弁を通過するガス流量は増加し、排気管内圧力とシリンダ内圧力との比が増加するほど、排気弁開口面積が増加するほど排気弁を通過するガス流量は増加する。
【００７２】
この場合、吸気弁を通過するガスは必ずしも吸気管からシリンダ方向へ流れる順流方向の流量のみが演算されるわけではない。スロットル弁開度を絞り吸気管内圧力が低下しているような運転条件によっては、シリンダ内圧力が吸気管内圧力に比して大きい場合があり、その際はシリンダから吸気管へのガスの逆流をも考慮して吸気流量を精度よく演算することができる。
【００７３】
ステップ１０４での吸排気過程において吸気弁を通過するガス質量の演算および排気弁を通過するガス質量の演算について、図４（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。
【００７４】
図４（ａ）は、吸気弁を通過するガス質量の累積値、排気弁を通過するガス質量の累積値ならびにシリンダ内の全ガス質量を示している。
図４（ｂ）は、図４（ａ）を実現するための吸気弁および排気弁のリフト推移を示している。内燃機関１０は運転条件に応じて吸気弁１９の開弁位相を進角させ、排気弁２１の開弁期間とのオーバーラップ期間を設けることで、吸気管への既燃ガスの吹返しを行い、再度シリンダ内へ既燃ガスを吸入することにより、シリンダ内の既燃ガス割合の増加を図る。
【００７５】
図４（ｃ）、（ｄ）は、図４（ａ）、（ｂ）に比して吸気弁の開弁位相を進角させて、オーバーラップ期間を設けた際のガス質量推移ならびにリフト推移の例を示している。本演算手法によれば、オーバーラップ期間における既燃ガスの吹返しをも考慮して、吸気可変動弁機構を作動させた際の内部ＥＧＲ率の変化を精度よく演算することができる。
【００７６】
次に、ステップ１０５において、燃焼に伴う熱発生率の演算を行う。図５（ａ）、（ｂ）は、内燃機関の燃焼過程を説明するために、点火以後の熱発生率と、燃焼質量割合の推移を示している。
【００７７】
内燃機関の燃焼は、点火直後、クランク角度にして１〜１０°程度の期間では顕著な熱発生を生じない。この期間を点火遅れ期間と呼び、その長さは、燃焼室内の温度、圧力、点火プラグ近傍のガス流動やガス組成、さらには点火エネルギに依存する。
【００７８】
点火後、点火遅れ期間中に電極部に火炎核が形成される。この点火遅れ期間を経過した後、燃焼室全体へ火炎が伝播する。このとき、シリンダ内へ供給される混合気の発熱量の大部分が発生する。これを主燃焼期間と呼ぶ。主燃焼期間においては、燃焼室のガス流動、ガス組成にもとづく層流燃焼速度や発熱量、未燃ガス密度、さらに燃焼室形状と燃焼割合により決定される火炎表面積が、熱発生率形状を支配する。
【００７９】
点火遅れ期間と主燃焼期間とでは、支配される影響因子が異なるために、燃焼に伴う熱発生率の演算手段においては、これらを分離して演算する。これにより、異なる運転条件においても、内燃機関の熱発生率を精度よく演算できる。
【００８０】
シリンダ内ガス組成として、混合気の当量比、外部ＥＧＲ量および吹き返しを考慮に入れて求められる内部ＥＧＲ量が入力される。まず、点火遅れ期間を演算するために、点火遅れ期間の支配因子である燃焼室内の温度、圧力、点火プラグ近傍のガス流動特性やガス組成、さらには点火プラグから未燃混合気へ供給される点火エネルギが入力される。上記諸量は、いずれも点火時期の値である。
【００８１】
点火時期のガス流動特性としては、乱れ強さや乱れのスケールが考慮される。乱れ強さは、回転速度およびストロークで決定される平均ピストン速度にほぼ比例するとして与えることができる。乱れのスケールは、点火時期の燃焼室クリアランスに比例するとして与えることができる。
【００８２】
クランク角度における点火遅れ期間は、当量比１を境にして、それより希薄側および過濃側において増加し、また、ＥＧＲ量の増加とともに増加する傾向を示す。点火時期における未燃混合気の圧力および温度が増加するほど、点火遅れ期間は、減少する。
【００８３】
従って、内燃機関の圧縮比を増加させた場合や、負荷を増加させた場合においては点火遅れ期間は減少する傾向を示す。
【００８４】
点火エネルギを増加させるほど、点火遅れ期間は、減少する。この点火エネルギは、バッテリ電圧や点火コイル中の一次コイルへの通電時間から推定される。また、回転速度の増加に伴い点火プラグ電極部近傍の流動が増加するほど、点火プラグから火炎核へ供給されるエネルギから周囲ガスへ損失するエネルギが増加するために、点火遅れ期間は増加する傾向を示す。
【００８５】
主燃焼期間の熱発生率を演算するに際して、まず燃焼質量割合を演算する。ここで、燃焼割合とは、シリンダ内へ供給される全ガス質量のうちで、既燃ガスの質量の占める割合であり、燃焼開始を０、燃焼終了を１とするパラメータである。
【００８６】
未燃ガス温度と既燃ガス温度との比が与えられれば、燃焼質量割合と既燃ガス体積割合との関係が一意的に決定される。
【００８７】
次に、未燃ガスの密度、乱れ強さおよび層流燃焼速度を演算する。層流燃焼速度の演算には、未燃ガス温度、圧力および未燃ガス組成を考慮する。層流燃焼速度は、未燃ガス温度が増加するほど、圧力が減少するほど増加する傾向を示す。また、層流燃焼速度はＥＧＲ量が増加するほど減少し、当量比については、ほぼ１．０を境にして、それより希薄側や過濃側に変化するほど、減少する傾向を示す。
【００８８】
従って、可変動弁機構やＥＧＲバルブを作動させてシリンダ内ガスのＥＧＲ量を変化させた場合や、燃料噴射弁から噴霧される燃料の量を変化させた場合においても、ガス組成の変化を考慮して主燃焼期間を精度よく予測することができる。
【００８９】
前述のように求めた層流燃焼速度に乱れ強さの影響を考慮して乱流燃焼速度を演算する。乱流燃焼速度は、層流燃焼速度と乱れ強さと乱流燃焼速度経験定数の積として求めることができる。
【００９０】
乱れ強さは、平均ピストン速度に比例すると与えるが、特に、シリンダ内乱れを強化するために、燃焼室流動にスワール流やタンブル流を形成する内燃機関がある。この場合には、平均ピストン速度に対する乱れ強さの比に補正を行う。ここで、平均ピストン速度と乱れ強さとの比の変化量は、計算上、乱流燃焼速度経験定数の変化量と等価として扱われる。
【００９１】
従って、乱流燃焼速度演算過程において、スワール流やタンブル流の影響分を乱流燃焼速度経験定数の補正で代替することができる。乱流燃焼速度経験定数は、あらかじめ実機データに基づき最適値に適合される。
【００９２】
主燃焼期間においては、特に、焼焼初期において燃焼が進展するに従って火炎が燃焼室全体へ拡大するために、火炎表面積が増加するが、やがて火炎がピストン壁面あるいはシリンダ壁面へ到達することにより、火炎伝播が遮られ、それに従って火炎表面積は減少する。
【００９３】
主燃焼期間の熱発生率形状には、火炎表面積の推移が大きな影響を及ぼす。火炎が点火プラグからほぼ球状に伝播すると仮定し、既燃ガス体積割合を満たすような火炎位置を決定し、これと燃焼室形状とを考慮して火炎表面積が求められる。本演算手法によれば、内燃機関によって異なる燃焼室形状や点火プラグ位置をも考慮して、精度よく火炎表面積の推移を演算することができる。
【００９４】
上述した手順で求められた未燃ガス密度、未燃ガス発熱量、乱流燃焼速度および火炎表面積を用いて燃焼に伴う熱発生率を演算する。未燃ガス密度、未燃ガス発熱量、乱流燃焼速度および火炎表面積のいずれが増加する場合においても、燃焼に伴う熱発生率は増加する傾向を示す。本演算手法によれば、内燃機関の燃焼室形状や運転条件をも考慮して、精度よく主燃焼期間の熱発生率推移を演算することができる。
【００９５】
ステップ１０６において、壁面熱損失を演算する。壁面熱損失を演算するに際して、まず壁面温度を入力する。クランク角度に基づき、シリンダおよびピストンに囲まれる燃焼室壁面の表面積を演算する。シリンダ内ガスと壁面との熱量の授受は、シリンダ内ガス流動の影響を強く受ける。それを考慮して回転速度ならびにストロークにより決定される平均ピストン速度を演算する。
【００９６】
上記平均ピストン速度、シリンダ内圧力および温度を考慮して壁面への熱伝達率を演算する。平均ピストン速度が増加するに従って単位時間当たりの壁面熱伝達量は増加する傾向を示す。
【００９７】
壁面熱伝達率、燃焼室表面積、さらに壁面温度を考慮して壁面熱損失を演算する。燃焼室ガス温度と壁面温度との差が増加するに従って壁面とシリンダ内ガスとの熱量の授受は増加する。
【００９８】
ＭＢＴに比して著しく早期点火を行った場合には、燃焼ガスの圧力ならびに温度の急激な上昇に伴い壁面熱損失も増大する。本演算手法によれば、設定される点火時期の違いによって変化する壁面熱損失をも考慮してシリンダ内圧力を精度よく演算することができる。
【００９９】
以上述べた、シリンダ容積変化率、吸排気過程におけるシリンダ内ガス質量変化率、燃焼に伴う熱発生率、壁面熱損失をもとに、ステップ１０７において、シリンダ内圧力と温度の推移を精度よく演算することができる。
【０１００】
次に、ステップ１０８において、ノック反応過程を演算する。ノック反応進行度の演算ならびにノック発生の検知について、図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）、（ｂ）には、ノックが発生する場合と、ノックが発生しない場合との典型例が示されている。
【０１０１】
図６（ａ）には、点火時期をＭＢＴに設定した時の未燃ガス温度推移が実線で、図６（ｂ）には点火時期をＭＢＴに設定した時のノック反応進行度の推移が実線で、それぞれ燃焼の終了時まで示されている。
【０１０２】
このノック反応過程演算においては、燃焼終了時までにノック反応進行度がノック発生臨界値に至るか否かによってノックの発生の有無を判別する。図６（ｂ）において、実線で示されているように、燃焼終了時までにノック反応進行度がノック発生臨界値に到達する場合にはノックが発生すると判別され、以後、ノック限界点火時期演算処理が実施される。
【０１０３】
図６（ａ）には、ＭＢＴより点火時期をノック限界点火時期にまでリタードさせた場合の未燃ガス温度推移が、燃焼終了時まで、破線で示されている。また、図６（ｂ）には、図６（ａ）に破線で示された未燃ガス温度推移に対応するノック反応進行度の推移を燃焼終了時まで破線で示しており、燃焼終了に至る間にノック反応進行度がノック発生臨界値に達することはない。この場合、リタード処理が直ちに終了され、点火時期がノック限界点火時期として設定される。
【０１０４】
ノック反応進行度とは、シリンダ内圧力、未燃ガス温度、燃料のオクタン価およびノック感度経験定数を考慮して求められる反応時間の逆数を、未燃ガスの圧縮開始時より時間積分した値である。反応時間は、圧力が増加するほど減少し、未燃ガス温度が増加するほど減少し、またオクタン価が減少するほど減少する傾向を示す。反応時間が減少するほどノック反応進行度の増加速度が増し、ノックが生じ易い傾向を示す。また、回転速度が減少したり、点火時期を進角させたりすることで、未燃ガスの圧縮時間を増加させるほど、ノックを生じ易い傾向を示す。
【０１０５】
（マップ作成）
次に、マップ作成手段５２によるＭＢＴならびにノックリタードのマップデータの作成過程を、図７を参照して説明する。
【０１０６】
マップ作成にあたっては、まず、ステップ１１１において、制御変数の設定を行う。本実施形態における制御変数（補正変数）には、ＭＢＴあるいはノックリタードに影響を与える因子として、吸気弁開弁位相、吸気温度、当量比および外部ＥＧＲ率を選定する。
【０１０７】
いずれの制御変数についても、各変数のとり得る範囲の最大値、最小値および代表点数が設定される。各制御変数のとり得る最大値および最小値は、内燃機関１０において想定される全ての運転条件を含むように選定される。また、代表点数は点火時期制御の要求精度に応じて決定される。
【０１０８】
上記設定された制御変数のもとで、ステップ１１２において、シリンダ内圧力の演算を行う。シリンダ内圧力の演算は、吸排気行程、圧縮、燃焼および膨張行程におけるシリンダ内圧力を、好ましくはクランク角度１度以内の間隔で行う。
【０１０９】
ステップ１１３において、求められたシリンダ内圧力とシリンダ容積との関係をもとに、図示トルクを演算する。
【０１１０】
図８（ａ）は、異なる三点の点火時期１、２、３におけるシリンダ容積とシリンダ内圧力との関係を示しており、圧力−シリンダ容積の関係で取得される閉曲線内部の面積は、内燃機関１０が１サイクルで外部になし得る図示トルクに対応している。吸排気行程に現れる閉曲線は、負の仕事、すなわちポンプ損失を示している。
【０１１１】
本実施形態における図示トルク演算では、吸気弁１９の開弁位相を可変としたときのポンプ損失変化をも考慮することで、吸気可変動弁機構搭載の内燃機関から発生される図示トルクを精度よく演算することができる。
【０１１２】
上述の図示トルク演算を、選定された全ての代表点火時期において実施することにより、点火時期と図示トルクとの関係が取得される。
【０１１３】
ステップ１１４においてのＭＢＴの演算を行う。複数点を代表点火時期に設定し、対応する図示トルクを求めることにより、図８（ｂ）に示すような点火時期と図示トルクの関係が取得される。
【０１１４】
図示トルクと点火時期との関係は、内燃機関の形状によっても、また内燃機関の運転条件によっても変化するが、一般に代表点火時期を圧縮上死点前６０度から圧縮上死点の間に設定すれば、点火時期と図示トルクの関係に一つのピークＰが現れる。点火時期と図示トルクとの関係を用いて最大の図示トルクを示す点火時期をＭＢＴに選定する。
【０１１５】
なお、計算負荷軽減を図るために、少なくとも三点以上求められた図示トルクと点火時期との関係を少なくとも次数が二次以上の曲線で近似し、その極大値をもってＭＢＴとしてもよい。
【０１１６】
代表点火時期の点数および近似曲線の次数は、要求されるＭＢＴ精度により決定され、代表点火時期の点数および近似曲線の次数が増加するほどＭＢＴ精度は向上する傾向を示す。
【０１１７】
本実施形態では、点火時期をＭＢＴに設定したときに内燃機関１０の発生し得る図示トルクをもＭＢＴ演算と同時に精度よく求めることができる。
以上、ステップ１１２〜１１４がＭＢＴマップ演算部５２Ａをなす。
【０１１８】
次に、ステップ１１５において、点火時期をステップ１１４で求められたＭＢＴに設定した場合に、ノックが生じるか否かを判別する。ノックが発生する場合には、ステップ１１６において、数値シミュレーション５１のノック反応過程の演算（図３のステップ１０８）と同等の手順に従ってノックリタードを求める。
以上、ステップ１１５、１１６がＭＢＴマップ演算部５２Ｂをなす。
【０１１９】
これを設定された全ての制御変数の代表点について実施し、ＭＢＴならびにノックリタードのマップデータをそれぞれ作成する。
【０１２０】
ここで、本実施形態においては、点火時期を制御するためのマップとして、ＭＢＴマップとノックリタードマップをそれぞれ個別に作成し、両者について回帰モデルを作成することとした。点火時期の演算に際しては、ＭＢＴおよびノックリタードを演算し、これらの和をもって点火時期とすることとした。
【０１２１】
ＭＢＴは乱れ強さに大きな影響を受けるのに対して、ノックはシリンダ内ガスの温度履歴によって概ね決まる現象である。ＭＢＴマップとノックリタードマップをそれぞれ個別に作成し、これらを個別に回帰モデルで近似することにより、より精度よくマップデータを近似できる。
【０１２２】
（回帰モデル作成）
次に、回帰モデル作成手段５３による回帰モデルの作成過程を説明を、図９を参照して説明する。
回帰モデルはＭＢＴマップデータおよびノックリタードマップデータの各マップデータについて作成される。
【０１２３】
本実施形態では、まず、ステップ１２１において、ＭＢＴマップデータを次式（１）の三元三次多項式で近似する。
【０１２４】
ｙ＝Ａ０＋Ａ１ｘ１＋Ａ２ｘ１２＋Ａ３ｘ１３＋Ａ４ｘ２＋Ａ５ｘ２２＋Ａ６ｘ２３＋Ａ７ｘ１ｘ２＋Ａ８ｘ１２ｘ２＋Ａ９ｘ１ｘ２２＋Ａ１０ｘ３＋Ａ１１ｘ３２＋Ａ１２ｘ３３＋Ａ１３ｘ１ｘ３＋Ａ１４ｘ２ｘ３＋Ａ１５ｘ１２ｘ３＋Ａ１６ｘ２２ｘ３＋Ａ１７  ｘ１ｘ３２＋Ａ１８２ｘ３２＋Ａ１９ｘ１ｘ２ｘ３                    …（１）
【０１２５】
従属変数ｙがＭＢＴであり、ｘ１，ｘ２およびｘ３がＭＢＴマップデータを構成する独立変数である。Ａ０からＡ１９が各項のｙに対する影響度を表す偏回帰係数である。
【０１２６】
上記三元三次多項式は、以下のように構成されている。すなわち、Ａ０は、ｘ１、ｘ２およびｘ３の全ての値が０となったときのｙの値である。Ａ１からＡ３までは、ｘ１のみで構成される項である。Ａ４からＡ６までは、ｘ２のみで構成される項である。Ａ７からＡ９は、ｘ１およびｘ２で構成される交互作用項である。Ａ１０からＡ１２は、ｘ３のみで構成される項である。Ａ１３からＡ１９は、少なくともｘ３を含み、かつｘ１あるいはｘ２との組合せで構成される交互作用項である。本実施形態ではｘ１を回転速度、ｘ２を負荷、さらにｘ３を吸気弁開弁時期、吸気温度、当量比および外部ＥＧＲ率の何れかとする。
【０１２７】
ここで、二元マップ曲面と上記多元多項式との関係を、図１０（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図１０（ａ）のマップ曲面Ｍａは、ｘ１が増加するに従ってｙが減少し、さらに、この変化量はｘ２の水準には影響を受けていない。このような場合、ｙに対する影響はｘ１のみで構成される多項式と、ｘ２のみで構成される多項式との和で表すことができる。
【０１２８】
これに対して、図１０（ｂ）のマップ曲面Ｍｂは、ｙに対するｘ１の影響度がｘ２の水準で異なっている。このような場合には、ｙに対する影響を、単にｘ１のみで構成される多項式と、ｘ２のみで構成される多項式との和で表すことができない。
【０１２９】
このような曲面を精度よく近似するためには、回帰モデル中に、ｘ１のみで表される多項式と、ｘ２のみで表される多項式に加えて、ｘ１とｘ２との積で表される交互作用項を考慮する必要がある。上述するマップデータと回帰モデルとの関係はｘ１、ｘ２およびｘ３の変数を入れ替えても成り立つ。
【０１３０】
ＭＢＴは、回転速度および負荷に対して大きく変化するのが一般的である。これは、ＭＢＴと燃焼速度との間に大きな相関関係が存在し、かつ燃焼速度がシリンダ内圧力、温度ならびに乱れ強さから大きな影響を受けるからである。
【０１３１】
従って、ｘ１を回転速度、ｘ２を負荷とするＭＢＴ二元マップを回帰モデルで近似しようとする場合には、ｘ１とｘ２との交互作用項を考慮する必要がある。
【０１３２】
一方、ノックは、高負荷かつ低回転速度時に生じやすく、高回転速度においては生じない。そのため、ノックリタードマップは、高負荷低回転速度領域のみ値をもち、その他の領域では０を示すのが普通である。
【０１３３】
このようなノックリタードマップを精度よく近似するためには、回帰モデル中に、回転速度ｘ１のみの項、負荷ｘ２のみの項に加えて、回転速度ｘ１と負荷ｘ２との交互作用項を考慮する必要がある。
【０１３４】
以上のことから、本実施形態においては、ｘ１のみで構成される項、ｘ２のみで構成される項、およびｘ１およびｘ２で構成される交互作用項に、Ａ０を加えて表される関数を基準関数とした。
【０１３５】
このようなＭＢＴ基準関数とすることで、回転速度や負荷の条件が変化してもＭＢＴ基準値を精度よく演算することができる。
【０１３６】
ステップ１２２においては、ステップ１２１で作成されたＭＢＴ回帰モデルからＭＢＴ基準関数を作成する。ＭＢＴ基準関数は、以下に示す式（２）のように表される。
【０１３７】
ｙ０＝Ａ０＋Ａ１ｘ１＋Ａ２ｘ１２＋Ａ３ｘ１３＋Ａ４ｘ２＋Ａ５ｘ２２＋Ａ６ｘ２３＋Ａ７ｘ１ｘ２＋Ａ８ｘ１２ｘ２＋Ａ９ｘ１ｘ２２                    …（２）
【０１３８】
次に、ステップ１２３において、ＭＢＴ補正関数を作成する。ＭＢＴ補正関数は式（１）において、偏回帰係数Ａ１０からＡ１９が乗じられている各項で構成される多項式である。補正変数ｘ３は吸気弁開弁時期、吸気温度、当量比およびＥＧＲ率の何れかである。
【０１３９】
図４（ｃ）および図４（ｄ）を用いて既に説明したように、内燃機関によっては吸気弁開弁時期を進角させ、排気期間とのオーバーラップを生じさせることで、一度シリンダ内の既燃ガスを吸気管内へ逆流させ、再度吸気管内へ供給させるものがある。
【０１４０】
このようなな内燃機関について、吸気弁開弁時期を補正変数ｘ３とする場合のＭＢＴ補正関数は、以下のように作成される。
【０１４１】
すなわち、吸気弁開弁時期を進角させると、シリンダ内への既燃ガス割合が増加するため、燃焼速度が低下する。従って、吸気弁開弁時期を進角させオーバーラップ期間を増加するほどＭＢＴは進角する傾向をもつのが普通である。
【０１４２】
同一オーバーラップ期間であっても、回転速度が減少するほど実時間としてのオーバーラップ時間が増加するため、シリンダ内へ供給される既燃ガス割合が増加する。そのためオーバーラップ期間がＭＢＴに与える影響は回転速度の水準によって異なる。
【０１４３】
以上のことから、ＭＢＴに与える吸気弁開弁時期の影響を回帰モデルで精度よく表すためには、回転速度ｘ１と吸気弁開弁時期ｘ３との交互作用項を考慮する必要がある。
【０１４４】
また、同一オーバーラップ期間であっても、吸気管内圧力減少すると、吸気管内へ吹き返される既燃ガス量が増加するために、シリンダ内へ供給される既燃ガス割合が増加する。そのためオーバーラップ期間がＭＢＴに与える影響は吸気管内圧力、すなわち負荷の水準によっても異なる。
【０１４５】
従って、ＭＢＴに与える吸気弁開弁時期の影響を回帰モデルで精度よく表すためには、負荷ｘ２と吸気弁開弁時期ｘ３との交互作用項を考慮する必要がある。
【０１４６】
以上のことから、本実施形態においては、ｘ３のみで表される項、ｘ３およびｘ１で構成される交互作用項、ｘ３およびｘ２で構成される交互作用項で表される関数を補正関数としている。
【０１４７】
このようなＭＢＴ補正関数とすることで、補正変数が種々に変化してもＭＢＴ補正値を精度よく演算することができる。
【０１４８】
ステップ１２３においては、ステップ１２１で作成されたＭＢＴ回帰モデルからＭＢＴ補正関数を作成する。また、ＭＢＴ補正関数は、吸気弁開弁時期と同様に吸気温度、当量比およびＥＧＲ率についても作成する。ＭＢＴ補正関数は、以下に示す式（３）のように表される。
【０１４９】
Δｙ（ｘ１，ｘ２，ｘ３）＝Ａ１０ｘ３＋Ａ１１ｘ３２＋Ａ１２ｘ３３＋Ａ１３ｘ１ｘ３＋Ａ１４ｘ２ｘ３＋Ａ１５ｘ１２ｘ３＋Ａ１６ｘ２２ｘ３＋Ａ１７ｘ１ｘ３２＋Ａ１８ｘ２ｘ３２＋Ａ１９ｘ１ｘ２ｘ３                                      …（３）
【０１５０】
ＭＢＴ基準関数およびＭＢＴ補正関数の作成につづいて、ステップ１２４からステップ１２６において、ノックリタードマップを回帰モデルで近似する。回帰モデルの作成過程、ノックリタード基準関数の作成過程、およびノックリタード補正関数の作成過程は、ＭＢＴのそれと同一である。
【０１５１】
（点火時期演算）
次に、ＥＣＵ２９内の点火時期演算部６０による点火時期演算について、図１１を参照して詳細に説明する。
ＥＣＵ２９の点火時期演算部６０は、ＭＴＢ演算部６０Ａと、ノックリタード演算部６０Ｂとを有する。ＭＴＢ演算部６０Ａには、ＭＢＴに関する基準関数ならびに各補正変数について補正関数が実装され、ノックリタード演算部６０Ｂには、ノックリタードに関する基準関数ならびに各補正変数について補正関数が実装され、この両演算部６０Ａ、６０Ｂに、回転速度、負荷、吸気弁動作特性値、吸気温度、当量比およびＥＧＲ率などの運転条件が入力される。
【０１５２】
ＭＴＢ演算部６０Ａ、ノックリタード演算部６０Ｂに実装される各関数は、回帰モデル作成手段５３（図９のステップ２１２〜１２６）によって作成されたＭＢＴ基準関数、ＭＢＴ補正関数、ノックリタード基準関数、ノックリタード補正関数ならびにこれらに含まれる偏回帰係数である。
【０１５３】
図１１に示されているように、ＭＴＢ演算部６０Ａならびにノックリタード演算部６０ともに、各補正変数で求められる補正値の総和をもってＭＢＴならびにノックリタードとしている。これは換言すれば、補正変数間の交互作用項の影響を無視していることを意味する。すなわち、二つの変数で構成される項でいえば、次に示す各交互作用項を省略している。
【０１５４】
（吸気開弁時期×吸気温度）、（吸気開弁時期×当量比）、（吸気開弁時期×外部ＥＧＲ率）、（吸気温度×当量比）、（吸気温度×外部ＥＧＲ率）、（当量比×外部ＥＧＲ率）…（４）
【０１５５】
図１２は、当量比と層流燃焼速度との関係を、異なるＥＧＲ率条件（ＥＧＲ有りとＥＧＲ無し）について示した図である。層流燃焼速度は、ＭＢＴを決定する上で最も重要な影響因子の一つである。図１２が示すように、当量比が１．０よりやや過濃な条件で、層流燃焼速度が最大値を示し、それより過濃側、希薄側のいずれにおいても、燃焼速度が減少する。また、ＥＧＲを供給することにより、いずれの当量比においても、層流燃焼速度は減少する傾向をもつ。
【０１５６】
図１２から、ＥＧＲ無しの条件で、当量比を理論空燃比の条件から希薄側に制御した場合の層流燃焼速度の減少幅は、シリンダ内にＥＧＲを供給した場合の層流燃焼速度の減少幅とほぼ同じであることがわかる。
【０１５７】
すなわち、この結果から、当量比を希薄側に制御した場合のＭＢＴ補正値は、ＥＧＲの水準によって大きな影響を受けないといえる。従って、ＭＢＴ補正関数において当量比とＥＧＲ率との交互作用項の影響を無視することができる。
【０１５８】
吸気開弁時期を進角することに基づくＭＢＴ補正値は、シリンダ内へ供給される既燃ガス割合でほぼ説明することができ、吸気開弁時期と当量比、あるいは吸気開弁時期と外部ＥＧＲ率との関係についても同様のことがいえる。
【０１５９】
以上のことから、全補正変数によるＭＢＴ補正値は、補正変数毎に求められるＭＢＴ補正値の総和として次式（５）のように演算される。
【０１６０】
全ＭＢＴ補正値  ＝Δｙ（ｘ１、ｘ２、吸気開弁時期）＋Δｙ（ｘ１、ｘ２、吸気温度）＋Δｙ（ｘ１、ｘ２、当量比）Δｙ（ｘ１、ｘ２、外部ＥＧＲ率）・・・（５）
【０１６１】
このように、補正変数同士の交互作用項を無視する方法を採用することで、ＭＢＴ演算精度を低下させることなく計算負荷の軽減を図ることができる。上述する方法は、ノックリタードマップにおいても、同様に適用することができる。
【０１６２】
（本発明装置のバリエーション）
なお、本実施形態においては、ＭＢＴならびにノックリタードについて三元三次多項式を回帰モデルとして近似することとしたが、回帰モデルを構成する多項式はこれに限定されるものではない。回帰モデルの次数を増加させるに従って、マップデータの近似精度は向上する。そのため、より高次の回帰モデルを備え、かつ全ての補正変数間での交互作用項を考慮することとしてもよい。ただし、次数を高次化し、交互作用項を増加させることによって演算負荷が増加するため、次数と交互作用項の数は、点火時期の要求演算精度によって決定される。
【０１６３】
回帰モデル中の各項に乗じられている偏回帰係数は、当該各項の従属変数に対する影響度の大きさを表している。独立変数であるｘ１、ｘ２およびｘ３は、互いに異なる次元をもつので、これらの値のとり得る範囲をあらかじめ正規化し、例えば−１から＋１の間値をもつパラメータに設定しておけば、このとき求められる偏回帰係数の大小関係は、当該各項の従属変数に対する寄与率として対等に評価することができる。
【０１６４】
回帰モデルの作成に際しては、十分高次な多項式による回帰モデルで、あらかじめ偏回帰係数を演算し、上記偏回帰係数の大小関係をもとに、寄与率のより小さい当該各項を省略することを繰返すことで、要求演算精度を満たす範囲でより演算工数の少ない回帰モデルを試行錯誤的に決定することができる。
【０１６５】
また、本実施形態においては、全ての運転条件について、ＭＢＴおよびノックリタードの各回帰モデルを一つずつ作成することとしたが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、運転領域ごとにマップデータを細分化し、上記細分化されたマップデータ毎に回帰モデルを作成することで、マップデータをより精度よく近似することができる。
【０１６６】
また、本実施形態においては、補正変数として、吸気開弁時期、吸気温度、当量比、および外部ＥＧＲ率を設定したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、冷却水温やタンブルコントロールバルブなど、シリンダ内ガスの温度、圧力、組成、流動を変化せしめる制御パラメータ全てにおいて本発明を大幅に変更することなく適用することができる。
【０１６７】
（本発明の効果の要約）
（１）内燃機関を模擬した数値シミュレーション装置により点火時期を制御するためのマップデータを演算し、点火時期を制御するためのマップデータを回帰モデルで近似し、検知された運転条件に基づいて前記回帰モデルにより点火時期を演算するから、ＥＣＵにはマップを搭載する必要がなく、計算負荷の大きい物理モデルをＥＣＵにおいて演算する必要もない。従って、マップ検索に比してＥＣＵのメモリ容量を軽減することができもしかも、物理モデルの直接演算に比してＥＣＵの演算負荷軽減もできる。
【０１６８】
（２）回帰モデルは、回転速度のみの項、負荷のみの項、補正変数のみの項、回転速度と負荷の交互作用項、補正変数と回転速度の交互作用項、補正変数と負荷の交互作用項、回転速度と負荷と補正変数の交互作用項、のうちで少なくとも一つ以上の項で構成される多項式であり、一変数のみで表される項は、他の変数の如何に関わらず当該一変数の点火時期に対する影響度を表すことができる。二変数あるいは三変数で構成される交互作用項は、ある一変数の点火時期に対する影響度がその他の変数の水準によって変化する場合の、当該一変数の点火時期に対する影響度を表すことができる。従って、回転速度、負荷および補正変数を変数とし、上記各項を回帰モデル中に備えることで点火時期を精度よく演算することができる。
【０１６９】
（３）回帰モデルが基準関数と補正関数とに分類され、基準関数部で演算される点火時期基準値と、補正関数部で演算される点火時期補正値との和をもって点火時期とするため、補正変数毎に点火時期基準値を演算する必要がない。従って、点火時期演算精度を低下させることなく演算工数を軽減することができる。
【０１７０】
（４）基準関数が、回転速度のみの項、負荷のみの項、回転速度と負荷の交互作用項のうちで少なくとも一つ以上の項で構成される多項式であり、補正関数が、補正変数のみの項、補正変数と回転速度の交互作用項、補正変数と負荷の交互作用項、回転速度と負荷と補正変数の交互作用項のうちで少なくとも一つ以上の項で構成される多項式であるから、点火時期に与える影響の大きい回転速度と負荷を基準関数の変数に選ぶことで、点火時期を精度よく演算することができる。
【０１７１】
（５）補正変数を吸気弁の動作特性値とし、吸気弁動作特性にもとづく点火時期補正値を演算することで、吸気弁の動作特性が変化しても点火時期を精度よく演算することができる。
（６）補正変数を吸気温度とし、吸気温度にもとづく点火時期補正値を演算することで、吸気温度が変化しても点火時期を精度よく演算することができる。
（７）補正変数を当量比とし、当量比にもとづく点火時期補正値を演算することで、当量比が変化しても点火時期を精度よく演算することができる。
（８）補正変数をＥＧＲ率とし、ＥＧＲ率にもとづく点火時期補正値を演算することで、ＥＧＲ率が変化しても点火時期を精度よく演算することができる。
【０１７２】
（９）複数の補正変数を所持する場合に、補正変数毎に当該補正変数にもとづく点火時期補正値を演算し、前記補正変数毎に演算された点火時期補正値の総和をもって全点火時期補正値とすることにより、補正変数を複数所持する場合においても点火時期を精度よく演算することができる。また、補正変数の点火時期に対する影響度は、その他の補正変数の水準にはほとんど影響されない。従って補正変数間の交互作用項についてはこれを考慮しなくてよく、補正変数間の交互作用項相当分の演算工数を軽減することができる。
【０１７３】
（１０）回帰モデルの各項に、マップデータを精度よく近似するべく決定された偏回帰係数が乗じられており、偏回帰係数の絶対値の大小関係で当該偏回帰係数が乗じられている項の点火時期に対する影響度を評価し、影響度が所定の値以下のとき当該項を回帰モデルから削除するから、点火時期の要求精度に照らして過剰な項の演算をする必要がなくなり、演算負荷の軽減を図ることができる。
【０１７４】
（１１）基準関数に、回転速度と負荷を独立変数とした二元三次多項式を備え、補正関数に、回転速度、負荷および補正変数を独立変数とした三元三次多項式を備えることで、点火時期を精度よく演算することができる。
（１２）点火時期を制御するためのマップデータが、ＭＢＴマップとノックリタードマップとで構成され、両マップを回帰モデルで近似し、ＭＢＴならびにノックリタードを上述の各回帰モデルで演算することにより、回帰モデルの近似精度を向上させることができ、もって点火時期を精度よく演算することができる。
（１３）点火時期演算の要求精度が向上するに従って、点火時期を制御するためのマップデータを運転領域でより細分化し、分割されたマップデータを回帰モデルで近似する。これにより回帰モデルの近似精度を向上させることができ、もって点火時期を精度よく演算することができる。
（１４）点火時期演算の要求精度が向上するに従って、回帰モデルの次数をより増加する。これにより回帰モデルの近似精度を向上させることができ、もって点火時期を精度よく演算することができる。
【０１７５】
（１５）数値シミュレーション装置が、少なくともシリンダ容積を演算する手段と、吸排気過程のシリンダ内ガスの質量変化を演算する手段と、燃焼過程の熱発生を演算する手段と、熱損失を演算する手段と、ノック発生の有無を判別する手段とを備えている。上述する数値シミュレーションをもとに１サイクルの筒内圧力とシリンダ容積との関係を演算し、筒内圧力とシリンダ容積との関係をもとに図示トルクを演算し、図示トルクと点火時期との関係からＭＢＴを演算し、ノック発生の有無を判別する手段をもとにノック限界を演算する。このため、点火時期を制御するための数値マップデータを精度よく演算することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７６】
【図１】本発明による点火時期制御装置を適用される電子制御式内燃機関の全体構成を示す図。
【図２】本発明による点火時期制御ロジック作成装置と内燃機関に実装される点火時期演算部を示すブロック図。
【図３】本発明による点火時期制御ロジック作成装置における数値シミュレーションの一つの実施形態を示すフローチャート。
【図４】（ａ）は吸気弁を通過するガス質量の累積値、排気弁を通過するガス質量の累積値ならびにシリンダ内の全ガス質量を示すグラフ、（ｂ）は吸気弁および排気弁のリフト推移を示すグラフ、（ｃ）はオーバーラップ期間を設けた場合の吸気弁を通過するガス質量の累積値、排気弁を通過するガス質量の累積値ならびにシリンダ内の全ガス質量を示すグラフ、（ｄ）はオーバーラップ期間を設けた場合吸気弁および排気弁のリフト推移を示すグラフ。
【図５】（ａ）は点火以後の熱発生率を示すグラフ、（ｂ）は燃焼質量割合の推移を示すグラフ。
【図６】（ａ）は未燃ガス温度の推移を示すグラフ、（ｂ）はノック反応進行度を示すグラフ。
【図７】本発明による点火時期制御ロジック作成装置におけるマップ作成の一つの実施形態を示すフローチャート。
【図８】（ａ）は異なる三点の点火時期におけるシリンダ容積とシリンダ内圧力との関係を示すグラフ、（ｂ）は点火時期と図示トルクとの関係を示すグラフ。
【図９】本発明による点火時期制御ロジック作成装置における回帰モデル作成の一つの実施形態を示すフローチャート。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は各々マップ曲面例を示すグラフ。
【図１１】本発明による点火時期制御装置の一つの実施形態を示すブロック。
【図１２】当量比と層流燃焼速度との関係を、異なるＥＧＲ率条件について示したグラフ。
【符号の説明】
【０１７７】
１０    内燃機関
１５    スロットル弁
１８    燃料噴射弁
１９    可変動弁機構付き吸気弁
２１    排気弁
２２    燃焼室
２９    ＥＣＵ
５０    点火時期制御ロジック作成部
５１    数値シミュレーション装置
５２    マップ作成手段
５３    回帰モデル作成手段
６０    点火時期演算部
６０Ａ  ＭＢＴ演算部
６０Ｂ  ノックリタード演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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