(57)【要約】【課題】  燃焼室内での吸気ガスの燃焼状態に基づいて、内燃機関の熱効率を最大にするのに適切な点火時期に吸気ガスの点火を行うことができる内燃機関の点火時期制御装置を提供する。【解決手段】  本発明の点火時期制御装置は、燃焼室５内の吸気ガスに点火する点火栓７と、点火栓から離れて位置する燃焼室内の所定地点を燃焼室内に発生した火炎の火炎面が通過する時期を検出する火炎面通過時期検出手段２５と、火炎面通過時期検出手段によって検出される火炎面通過時期が目標火炎面通過時期となるように点火栓による点火時期を制御する点火時期制御手段とを具備する。【選択図】      図１
2006077588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の吸気ガスに点火する点火栓と、
上記点火栓から離れて位置する上記燃焼室内の所定地点を該燃焼室内に発生した火炎の火炎面が通過する時期を検出する火炎面通過時期検出手段と、
上記火炎面通過時期検出手段によって検出される火炎面通過時期が目標火炎面通過時期となるように上記点火栓による点火時期を制御する点火時期制御手段とを具備する内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項２】
上記目標火炎面通過時期は、機関運転状態に基づいて算出される請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジンのような火花点火式内燃機関は、燃焼室内に吸気ガスを充填し、その後圧縮上死点付近で点火栓によって吸気ガスに点火することで燃焼室内の吸気ガスを燃焼させている。火花点火式内燃機関では、機関運転条件毎に内燃機関の熱効率を最大にするのに最適な点火時期が存在し、最適な点火時期よりも早い時期に点火を行うと、ピストンの上昇中に吸気ガスの燃焼による燃焼室内の圧力上昇が起こり、燃焼室内の圧力上昇がピストンの上昇の抵抗となって機関出力が低いものとなり、また最適な点火時期よりも遅い時期に点火を行うと、燃焼室内の圧力上昇のエネルギが効果的にピストンに伝達されず、機関出力が低いものとなってしまう。したがって、火花点火式内燃機関においては、内燃機関の熱効率を最大にするために最適な点火時期に点火を行う必要がある。
【０００３】
そこで、特許文献１の制御装置では、燃焼室内で発生するイオンに比例するイオン電流を検出し、検出したイオン電流値に基づいて点火時期を制御するようにしている。すなわち、燃焼室内の吸気ガスに点火したときに燃焼が正常に行われていれば吸気ガスが十分にイオン化し、よって検出されるイオン電流は大きく、逆に、燃焼が正常に行われていないとき（例えば、失火したとき）には吸気ガスはイオン化しにくく、よって検出されるイオン電流は小さい。この性質を利用して、検出されたイオン電流の大きさから燃焼状態を判定することができ、これに基づいて点火時期を修正するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３０５６５０号公報
【特許文献２】特開平７−４２５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の制御装置において検出されるイオン電流は、燃焼室内での吸気ガスの燃焼状態を必ずしも直接的に表すものではない。このため、特許文献１の制御装置では、所定クランク角におけるイオン電流値を、イオン電流値が所定値となるクランク角度に基づいて補正しているが、それでもなお燃焼室内の燃焼状態の判定精度は必ずしも高くはない。
【０００６】
一方、燃焼室内での吸気ガスの燃焼状態に無関係に機関運転状態（機関負荷、機関回転数、燃料噴射量等）と最適な点火時期との関係のみに基づいて点火時期を算出すると、内燃機関の個体差、経年変化、使用条件および気候変化等による燃焼挙動の変化を反映させた点火時期制御ができない。しかしながら、燃焼室内での吸気ガスの実際の燃焼状態に基づいて点火時期を算出すると、内燃機関の個体差、経年変化、使用条件および気候変化等による燃焼挙動の変化を反映させた点火時期制御ができる。このため、燃焼室内での吸気ガスの燃焼状態に基づいて、内燃機関の熱効率を最大にするのに適切な点火時期に吸気ガスに点火を行うことができる点火時期制御装置についての要請が存在する。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、燃焼室内での吸気ガスの燃焼状態に基づいて、内燃機関の熱効率を最大にするのに適切な点火時期に吸気ガスの点火を行うことができる内燃機関の点火時期制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、第１の発明では、燃焼室内の吸気ガスに点火する点火栓と、上記点火栓から離れて位置する上記燃焼室内の所定地点を該燃焼室内に発生した火炎の火炎面が通過する時期を検出する火炎面通過時期検出手段と、上記火炎面通過時期検出手段によって検出される火炎面通過時期が目標火炎面通過時期となるように上記点火栓による点火時期を制御する点火時期制御手段とを具備する。
燃焼室内の所定地点を燃焼室内に発生した火炎の火炎面が通過する火炎面通過時期は内燃機関の熱効率に大きく影響する。したがって、火炎面通過時期を最適な時期とすれば、内燃機関の熱効率を高めることができる。第１の発明によれば、火炎面通過時期が目標火炎面通過時期となるように点火時期が制御される。したがって、内燃機関の熱効率が最大となるような火炎面通過時期を目標火炎面通過時期とすれば、内燃機関の熱効率が最大となるように点火時期を制御することができる。
なお、「燃焼室内の所定地点」とは、燃焼室内であって点火栓から所定距離だけ離間されている地点を意味し、この場合の所定距離は零よりも大きく、点火栓から燃焼室を画成するシリンダ壁面までの距離よりも短い距離である。下記実施形態では、上記所定距離はシリンダ半径の半分の長さである。また、「目標火炎面通過時期」とは、燃焼室内に発生した火炎の火炎面が上記所定地点を通過する目標時期を意味し、内燃機関の熱効率が最大となるように設定された時期である。目標火炎面通過時期は、機関運転状態等に基づいて変動する時期であってもよいし、予め定められた一定の時期であってもよい。
【０００９】
第２の発明では、第１の発明において、上記目標火炎面通過時期は、機関運転状態に基づいて算出される。
内燃機関の熱効率は、火炎面通過時期に加えて、点火栓による点火によって発生した火炎の火炎面が広がっていく速度（以下、「火炎伝搬速度」と称す）によっても変化する。したがって、この火炎伝搬速度を考慮して点火時期を設定することにより、より確実に内燃機関の熱効率を高いものとすることができる。そして、火炎伝搬速度は機関運転状態に応じて変化する。第２の発明によれば、機関運転状態に基づいて目標火炎面通過時期が算出され、よって火炎伝搬速度を考慮して目標火炎面通過時期が算出される。すなわち、第２の発明によれば、火炎伝搬速度を考慮して点火時期が設定される。
なお、上記機関運転状態としては、例えば、筒内充填吸気ガスに占めるＥＧＲガスの割合、ＥＧＲ制御弁開度、バルブオーバーラップ、吸気弁閉弁時における吸気ガス温度、吸気弁閉弁時における吸気ガス圧力、空燃比、燃焼室内での乱流の強さ等が挙げられ、これらパラメータのうち少なくともいずれか一つに基づいて目標火炎面通過時期が算出される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃焼室内での吸気ガスの燃焼状態を表す火炎面通過時期が目標火炎面通過時期となるように点火時期が制御されるため、燃焼室内での吸気ガスの燃焼状態に基づいて、内燃機関の熱効率を最大にするのに適切な点火時期に吸気ガスの点火を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の第一実施形態の点火時期制御装置について説明する。図１は、本発明の点火時期制御装置を搭載した内燃機関の全体図である。なお、図示した内燃機関は、ポート噴射型の火花点火式内燃機関であるが、本発明は、例えば、直噴型（燃焼室内に燃料を直接噴射するタイプ）の火花点火式内燃機関といったその他の内燃機関にも適用可能である。
【００１２】
図１において、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃料噴射弁、７は点火栓、８は吸気弁、９は吸気ポート、１０は排気弁、１１は排気ポートを示している。吸気ポート９は吸気枝管１２を介してサージタンク１３に接続されている。サージタンク１３は吸気管１４を介してエアクリーナ１５に連結される。吸気管１４内には、ステップモータ１６によって駆動されるスロットル弁１７が配置される。一方、排気ポート１１は、排気枝管１８を介して排気浄化触媒１９を内蔵したケーシング２０に連結される。
【００１３】
排気枝管１８とサージタンク１３とは、排気ガス再循環（以下、ＥＧＲ）通路２１を介して互いに連結される。ＥＧＲ通路２１内には、ステップモータ２２によって駆動されるＥＧＲ制御弁２３が配置される。また、ＥＧＲ通路２１内には、ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置２４が配置される。本実施形態では、ＥＧＲ冷却装置２４には、機関冷却水が導かれ、この機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。
【００１４】
電子制御ユニット３１はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２により互いに接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６、および、出力ポート３７を具備する。シリンダヘッド３には燃焼室５内に発生するイオンを検出するイオンプローブ２５が配置され、また、スロットル弁１７の吸気上流の吸気管１４には燃焼室５に吸入される空気の流量を検出するためのエアフロメータ２６が配置される。これら、イオンプローブ２５およびエアフロメータ２６の出力信号は、それぞれ、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００１５】
アクセルペダル４０には、その踏込量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続される。負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、入力ポート３６にはクランクシャフトが、例えば、１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁６、点火栓７、スロットル弁制御用ステップモータ１６、および、ＥＧＲ制御弁制御用ステップモータ２２に接続され、これらの作動は電子制御ユニット３１によって制御される。
【００１６】
図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って見た図であり、燃焼室５の上面を概略的に示している。図２では、図面を簡単にするため、吸気弁８および排気弁１０が省略されている。図２に示したように、本実施形態では、各燃焼室５に二つの吸気ポート９および二つの排気ポート１１が連通しており、燃焼室５上面のほぼ中央に点火栓７が配置される。イオンプローブ２５は、点火栓７から離れて燃焼室５上面に配置される。点火栓７からイオンプローブ２５までの距離ｒは、燃焼室５を画成するシリンダの半径Ｒよりも短く、本実施形態ではシリンダの半径Ｒの約半分である。
【００１７】
イオンプローブ２５は、簡単に説明すると、燃焼室５内に曝された二つの電極から構成されており、これら二つの電極間には一定の電圧が加えられている。したがって、これら二つの電極が曝された燃焼室５内の雰囲気中にイオンが存在すると、存在するイオンの量に応じてこれら電極間に電流（以下、「イオン電流」と称す）が流れる。このため、これら二つの電極間を流れる電流を計測することで二つの電極が曝された雰囲気中に存在するイオンの量を検出することができる。本実施形態では、イオンプローブ２５が燃焼室５内であって点火栓７から距離ｒの地点に配置されているため、点火栓７から距離ｒの地点に存在するイオンの量が検出せしめられる。
【００１８】
ところで、燃焼室５内で吸気ガスが燃焼すると、水酸化物イオン（ＯＨ-）等のイオンが発生する。すなわち、燃焼室５内で発生した火炎の内部には多量のイオンが含まれており、火炎の外部に比べてその量は極めて多い。したがって、火炎の内部と外部との境界である火炎面を境に、単位体積あたりに存在するイオンの量が大きく異なる。換言すると、燃焼室５内の特定の地点では、火炎面が通過する前後で単位体積あたりに存在するイオンの量が大きく変化し、このイオンの量が大きく変化する時期を検出することにより当該特定の地点を火炎面が通過した時期を検出することができる。
【００１９】
本実施形態では、点火栓７から距離ｒの地点にイオンプローブ２５が配置されているため、点火栓７によって吸気ガスに点火されてからこの点火によって発生した火炎の火炎面が点火栓７から距離ｒの地点を通過するときに、イオンプローブ２５を流れるイオン電流が急激に大きくなり、すなわちイオンプローブ２５によって検出されるイオンの量が急激に多くなる。イオンプローブ２５によって検出されるこのようなイオン電流の急激な増大はＡＤ変換器３８を介してＥＣＵ３１に入力される。ＥＣＵ３１では、イオンプローブ２５の出力およびクランク角センサ４２の出力に基づいてイオン電流が急激に増大したときのクランク角、すなわちイオン電流が急激に増大した時期が算出される。本実施形態では、このようにして点火栓７によって吸気ガスに点火されてから火炎面が点火栓７から距離ｒの地点（イオンプローブ２５が配置された地点）を通過する時期（以下、「火炎面通過時期」と称す）が検出せしめられる。
【００２０】
ところで、一般に、内燃機関において燃焼室５内の吸気ガスの燃焼により燃焼室５内の吸気ガスの圧力が最大となる時期が圧縮上死点後１０°〜１２°（１０〜１２°ＡＴＤＣ）であると、燃焼によって生じるエネルギを最も効率的に機関出力に変換することができる（以下、このような時期を「最大効率時期」と称す）。そして、燃焼室５内の圧力が最大となる時期が上記最大効率時期よりも早すぎると、ピストン４の上昇時に吸気ガスの燃焼が開始されて燃焼室５内の圧力が上昇してしまい、燃焼室５内の圧力の上昇がピストン４の上昇の抵抗となる。したがって、この場合、燃焼によって生じるエネルギの一部がピストンの運動に対して負の仕事をすることとなり、結果的に燃焼によって生じるエネルギを効率的に機関出力に変換することができない。逆に、燃焼室５内の圧力が最大となる時期が上記最大効率時期よりも遅すぎると、燃焼によって生じるエネルギのうちピストンを下降させるのに寄与するエネルギの割合が少なくなり、逆に排気ガスの温度を高温にすることに寄与するエネルギの割合が多くなってしまい、結果的に燃焼によって生じるエネルギを効率的に機関出力に変換することができない。
【００２１】
燃焼によって燃焼室５内の圧力が最大となる時期と、点火栓７から所定距離（例えば、距離ｒ）の地点における火炎面通過時期とには相関関係があり、火炎面通過時期が早くなると上記燃焼によって燃焼室５内の圧力が最大となる時期が早くなり、逆に火炎面通過時期が遅くなると上記燃焼によって燃焼室５内の圧力が最大となる時期が遅くなる。したがって、火炎面通過時期を制御することにより上記燃焼によって燃焼室５内の圧力が最大となる時期を制御することができ、ひいては燃焼によって生じるエネルギを機関出力に変換する効率を制御することができる。
【００２２】
そこで、本発明では、燃焼室５内の圧力が最大となる時期が上記最大効率時期となるような火炎面通過時期を目標火炎面通過時期として予め実験によりまたは計算によって求める。本実施形態では、目標火炎面通過時期は予め定められた一定の時期とされる。そして、イオンプローブ２５およびクランク角センサ４２によって検出される実際の火炎面通過時期が目標火炎面通過時期となるようにフィードバック制御を行う。
【００２３】
フィードバック制御を行うにあたっては、検出される実際の火炎面通過時期が目標火炎面通過時期となるように点火栓７によって吸気ガスに点火する時期を制御する。すなわち、火炎面通過時期は点火時期に応じて変わり、基本的に点火時期を早くすると火炎面通過時期も早くなり、点火時期を遅くすると火炎面通過時期も遅くなる。したがって、イオンプローブ２５等によって検出された実際の火炎面通過時期が目標火炎面通過時期よりも早い場合には点火時期を遅くし、検出された実際の火炎面通過時期が目標火炎面通過時期よりも遅い場合には点火時期を早くするようにしている。
【００２４】
本実施形態では、検出された実際の火炎面通過時期Ｔと目標火炎面通過時期Ｔｔとの差分に等しい期間だけ点火時期を調整する。すなわち、目標火炎面通過時期Ｔｔから、検出された実際の火炎面通過時期Ｔを減算した差分をΔＴ（＝Ｔｔ−Ｔ）とすると、次回の点火時期ＳＴn+1は今回の点火時期ＳＴnに差分ΔＴを加えた時期とされる（ＳＴn+1＝ＳＴn＋ΔＴ）。ここで、検出された実際の火炎面通過時期Ｔが目標火炎面通過時期Ｔｔよりも遅い場合には差分ΔＴは負の値となり、次回の点火時期ＳＴn+1は今回の点火時期ＳＴnよりもΔＴの絶対値に対応する期間だけ速くなり、検出された実際の火炎面通過時期Ｔが目標火炎面通過時期Ｔｔよりも早い場合には差分ΔＴは正の値となり、次回の点火時期ＳＴn+1は今回の点火時期ＳＴnよりもΔＴの絶対値に対応する期間だけ遅くなる。
【００２５】
このようにフィードバック制御を行うことにより、実際の火炎面通過時期が常に目標火炎面通過時期に維持されるように最適な点火時期に点火が行われるようになり、よって燃焼によって生じるエネルギを効率的に機関出力に変換することができる。
【００２６】
また、燃焼室５内の圧力が最大となる時期が上記最大効率時期となるように点火時期を制御する点火時期制御装置は従来から存在する。しかしながら、従来の点火時期制御装置では、機関運転状態（例えば、機関負荷、機関回転数、空燃比等。火炎面通過時期を含まない。）に応じて燃焼室５内の圧力が最大となる時期と点火時期との関係が変化することを利用して、機関運転状態と最適な点火時期との関係を予め実験的または計算により求めマップとして保存し、機関運転時には機関運転状態を検出すると共にその検出値に基づいて上記マップを用いて点火時期を制御しており、火炎面通過時期に基づいては点火時期を制御していない。このように機関運転状態のみに基づいて点火時期を制御すると、例えば気筒毎または内燃機関毎に点火栓７の火花の強さが異なる場合、および点火栓７が劣化して火花が弱くなった場合等、内燃機関毎または気筒毎の個体差、経年劣化、使用条件、気候変化等に応じて点火時期を最適に制御するのは困難である。これに対して、本発明によれば、火炎面通過時期は個体差、経年劣化、使用条件、気候変化等に応じて変化するため、火炎面通過時期を上記最大効率時期となるように点火時期を制御することで、個体差、経年劣化、使用条件、気候変化等を考慮した上で最適な点火時期に点火を行うことができるようになる。
【００２７】
次に、本発明の第二実施形態の点火時期制御装置について説明する。第二実施形態の点火時期制御装置は、基本的に第一実施形態の点火時期制御装置と同様であるが、第一実施形態では目標火炎面通過時期が予め定められた一定の時期とされているのに対して、第二実施形態では目標火炎面通過時期は機関運転状態に基づいて変動する時期とされる。
【００２８】
ところで、点火栓７による点火によって発生した火炎の火炎面が広がっていく速度（以下、「火炎伝搬速度」と称す）は、常に一定ではなく機関運転状態に関する各種パラメータ（以下、「運転パラメータ」と称す）に応じて異なる。
【００２９】
例えば、本実施形態のように、ＥＧＲ通路２１を介してＥＧＲガス（排気ガス）がサージタンク１３に導入されている場合、吸気弁８閉弁までに燃焼室５内に充填された吸気ガス（以下、「筒内充填吸気ガス」と称す）中に占めるＥＧＲガスの割合に応じて火炎伝播速度が異なる。
【００３０】
図３はクランク角と火炎半径／シリンダ半径との関係を示したものであり、クランク角に対する火炎半径の推移を表す。単位クランク角あたりに火炎半径が大きくなる割合が火炎面伝播速度を表している。図中の三本の実線ａ〜ｃは、点火栓７により同一の点火時期に点火が行われた場合の火炎半径の推移を示している。筒内充填吸気ガス中に占めるＥＧＲガスの割合が大きい場合、すなわちＥＧＲ制御弁２３の開度が大きい場合、火炎半径は実線ａに示したように推移する。実線ａは、単位クランク角あたりに火炎半径が大きくなる割合が小さいため、火炎伝搬速度が遅いことが分かる。これはＥＧＲガスが燃焼室５内に多く存在すると、燃焼室５内で吸気ガスの燃焼が起こりにくくなるためである。一方、筒内充填吸気ガス中に占めるＥＧＲガスの割合が小さくなると、すなわちＥＧＲ制御弁２３の開度を小さくすると、火炎半径は実線ｂに示したように推移し、実線ａの場合に比べて火炎伝搬速度は速くなる。そして、筒内充填吸気ガス中に占めるＥＧＲガスの割合が零になると、すなわちＥＧＲ制御弁２３を閉弁すると、火炎半径は実線ｃに示したように推移し、火炎伝搬速度は最も速くなる。
【００３１】
また、吸気弁８や排気弁１０の開弁時期および閉弁時期を制御することができる可変動弁機構（図示せず）を有する場合、吸気弁８と排気弁１０とを同時に開弁させる（以下、「バルブオーバーラップ」と称す）ことができ、このとき燃焼室５内の排気ガスの一部を吸気ポート９内へ戻し、次サイクルの吸気行程中にその排気ガス（ＥＧＲガス）を再び燃焼室に流入させることができる（内部ＥＧＲ）。この場合、バルブオーバーラップ期間を長くすると筒内充填吸気ガス中に占めるＥＧＲガスの割合が多くなり、よって火炎伝搬速度は遅くなり、逆にバルブオーバーラップ期間を短くすると筒内充填吸気ガス中に占めるＥＧＲガスの割合が少なくなり、よって火炎伝搬速度は速くなる。
【００３２】
また、吸気弁８が閉弁時の燃焼室５内の吸気ガス温度によっても火炎伝搬速度は異なる。すなわち、吸気弁８が閉弁されてから圧縮行程中は燃焼室５内の吸気ガスは断熱圧縮されるため、吸気弁８閉弁時の燃焼室５内の吸気ガス温度に基づいて点火時期直前における燃焼室５内の温度を推定することができる。点火時期直前における燃焼室５内の吸気ガスの温度が低いと燃料は気化しにくく、よって吸気ガスは燃焼しにくく、このため火炎伝搬速度は遅い。したがって、吸気弁８閉弁時の燃焼室５内の吸気ガス温度が低い場合には、火炎半径は図３の実線ａのように推移し、火炎伝播速度は遅くなる。逆に、吸気弁８閉弁時の燃焼室５内の吸気ガスの温度が高くなると、火炎半径は図３の実線ｂ、さらには実線ｃのように推移し、火炎伝搬速度は速くなる。
【００３３】
また、吸気弁８が閉弁時の燃焼室５内の吸気ガス圧力によっても火炎伝搬速度は異なるものとなる。すなわち、吸気弁８が閉弁されてから圧縮行程中は燃焼室５内の吸気がガスは断熱圧縮されるため、吸気弁８閉弁時の燃焼室５内の吸気ガス圧力に基づいて点火時期直前におえける燃焼室５内の圧力を推定することができる。点火時期直前における燃焼室５内の吸気ガスの圧力が高いと反応が促進しにくく、よって吸気ガスは燃焼しにくく、このため火炎伝搬速度は遅い。したがって、吸気弁８閉弁時の燃焼室５内の吸気ガス圧力が高い場合には火炎半径は図３の実線ａのように推移し、火炎伝搬速度は遅く、逆に、吸気弁８閉弁時の燃焼室５内の吸気ガス圧力が低くなると火炎半径は図３の実線ｂ、さらには実線ｃのように推移し、火炎伝搬速度は速くなる。
【００３４】
さらに、筒内充填吸気ガスの空燃比によっても火炎伝搬速度は異なり、空燃比が高いほど、すなわちリーン度合が高いほど火炎伝搬速度は遅くなる。これは、空燃比が高いほど燃料密度が低く、吸気ガスが燃焼しにくいことによる。加えて、点火時期直前における燃焼室５内の吸気ガスの乱流の強さによっても火炎伝搬速度は異なり、吸気ガスの乱流が強いほど吸気ガスは燃焼し易く、よって火炎伝搬速度は速くなる。燃焼室５内の吸気ガスの乱流は機関回転数に応じて変化し、機関回転数が高いほど乱流が強くなるため、機関回転数が高いほど火炎伝搬速度が速くなると言い換えることもできる。また、スワール比やタンブル比が高い場合も吸気ガスの乱流が強い場合と同様に火炎伝搬速度が速くなる。
【００３５】
このように、火炎伝搬速度は様々な運転パラメータに応じて変化するが、この火炎伝搬速度は、燃焼によって燃焼室５内の圧力が最大となる時期と、点火栓７から所定距離（本実施形態では距離ｒ）の地点における火炎面通過時期との関係に影響を及ぼす。すなわち、火炎伝搬速度が速いほど点火栓７から距離ｒの地点における火炎面通過時期と上記燃焼によって燃焼室５内の圧力が最大となる時期との間の期間は短くなり、逆に火炎伝搬速度が遅いほど火炎面通過時期と上記燃焼によって燃焼室５内の圧力が最大となる時期との間の期間は長くなる。したがって、燃焼室５内の圧力が最大となる時期が上記最大効率時期となるような火炎面通過時期である目標火炎面通過時期も、火炎伝搬速度に応じて異なったものとなる。
【００３６】
そこで、本実施形態では、火炎伝搬速度と目標火炎面通過時期との関係を予め求め、火炎伝搬速度に応じて目標火炎面通過時期を変更するようにしている。特に、火炎伝搬速度は、上述したように各種運転パラメータ（ＥＧＲ制御弁２３開度、バルブオーバーラップ、吸気弁８閉弁時における吸気ガス温度、吸気弁８閉弁時における吸気ガス圧力、空燃比、乱流強さ等）に応じて変化するため、本実施形態では、運転パラメータと目標火炎面通過時期との関係を予め実験的にまたは計算によって求め、目標時期算出用マップとしてＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に保存しておく。そして、機関運転時には検出された運転パラメータに基づいて上記目標時期算出用マップを用いて目標火炎面通過時期を算出する。そして、第一実施形態と同様に、実際の火炎面通過時期が目標火炎面通過時期となるように点火時期をフィードバック制御する。
【００３７】
本実施形態では、目標火炎面通過時期を各種運転パラメータに基づいて算出し、これに基づいて点火時期を制御することにより、火炎伝搬速度を考慮した上で燃焼室５内の圧力が最大となる時期が上記最大効率時期となるように点火時期が制御されることとなり、燃焼によって生じるエネルギを効率的に機関出力に変換することが確実に行われる。
【００３８】
図４は、第二実施形態の点火時期制御装置における点火時期制御の制御ルーチンのフローチャートである。この制御ルーチンは各サイクル毎に実行される。
【００３９】
まず、ステップ１０１において吸気弁８が閉弁されたときに各種運転パラメータが取得せしめられる。例えば、ＥＧＲ制御弁２３開度はＥＣＵ３１からＥＧＲ制御弁２３への制御信号から取得され、バルブオーバーラップは可変動弁機構（図示せず）への制御信号から取得される。次いで、ステップ１０２では、前回の制御ルーチンで算出された今回の点火時期ＳＴnに点火栓７による吸気ガスへの点火が行われる。ステップ１０３では、ステップ１０１において取得された各種運転パラメータに基づいて目標時期算出用マップを用いて目標火炎面通過時期Ｔｔが算出される。次いで、ステップ１０４では、イオンプローブ２５の出力およびクランク角センサ４２の出力から実際の火炎面通過時期Ｔが検出される。ステップ１０５では、ステップ１０３で算出した目標火炎面通過時期Ｔｔとステップ１０４で算出した火炎面通過時期Ｔとの差分ΔＴが算出される（ΔＴ＝Ｔｔ−Ｔ）。次いで、ステップ１０６では、今回の点火時期ＳＴnにステップ１０５で算出された差分ΔＴを加算したものが次回の点火時期ＳＴn+1とされる（ＳＴn+1＝ＳＴn＋ΔＴ）。
【００４０】
次に、第二実施形態の点火時期制御装置の変更例について説明する。第二実施形態の点火時期制御では、今サイクルにおける運転パラメータに基づいて次サイクルにおける点火時期が算出されるため、機関運転状態が定常状態（機関負荷、機関回転数等がほぼ一定である運転状態）にある場合には最適に点火時期を制御することができるが、機関運転状態が過渡状態（機関負荷、機関回転数等が変動している運転状態）にある場合には最適に点火時期を制御することができない。
【００４１】
そこで、本変更例においては、機関運転状態が過渡状態にあるときには、次サイクルにおける運転パラメータを予想し、予想された運転パラメータに基づいて上記目標時期算出用マップから次サイクルにおける目標火炎面通過時期Ｔｔ’を算出するようにしている。このため、次サイクルにおける目標火炎面通過時期Ｔｔ’と今サイクルにおいて検出された実際の火炎面通過時期Ｔとの間の差分ΔＴを今サイクルにおける点火時期ＳＴnに加算して次サイクルにおける点火時期ＳＴn+1が算出されるため、機関運転状態が過渡状態であっても次サイクルにおける点火時期を最適な点火時期とすることができる。
【００４２】
図５は、第二実施形態の点火時期制御装置の変更例における点火時期制御の制御ルーチンのフローチャートである。この制御ルーチンは各サイクル毎に実行される。ステップ１２１、１２２および１２４〜１２７は、図４のステップ１０１〜１０６と同様であるため説明を省略する。
【００４３】
ステップ１２３において、ステップ１２１において取得された各種運転パラメータに基づいて機関運転状態が定常状態にあるか否かが判定される。機関運転状態が定常状態にあると判定された場合には、ステップ１２４へと進み、ステップ１２４〜１２７において図４のステップ１０３〜１０６と同様な制御が行われる。一方、ステップ１２３において機関運転状態が定常状態にないと判定された場合、すなわち機関運転状態が過渡状態にあると判定された場合にはステップ１２８へと進む。
【００４４】
ステップ１２８では、今サイクルにおける機関運転状態や負荷センサ４１の出力に基づいて、例えば、流体力学や熱力学等を利用したモデルを用いて、次サイクルにおける各種運転パラメータが予想される。次いで、ステップ１２９では、ステップ１２８において予想せしめられた次サイクルの運転パラメータに基づいて、上記目標時期算出用マップを用いて次サイクルにおける目標火炎面通過時期Ｔｔ’が算出される。次いで、ステップ１３０では、ステップ１２５と同様にイオンプローブ２５の出力およびクランク角センサ４２の出力から今サイクルにおける実際の火炎面通過時期Ｔが検出される。ステップ１３１では、ステップ１２９で算出した次サイクルにおける目標火炎面通過時期Ｔｔ’とステップ１３０で算出した火炎面通過時期Ｔとの差分ΔＴが算出される（ΔＴ＝Ｔｔ’−Ｔ）。次いで、ステップ１２７では、今回の点火時期ＳＴnにステップ１３１で算出された差分ΔＴを加算したものが次回の点火時期ＳＴn+1とされる（ＳＴn+1＝ＳＴn＋ΔＴ）。
【００４５】
なお、上記実施形態では、点火栓７からイオンプローブ２５までの距離ｒは、燃焼室５を画成するシリンダの半径Ｒの約半分、すなわちｒ／Ｒ＝０．５である。しかしながら、イオンプローブ２５は点火栓７の周囲からシリンダの周縁までの如何なる地点に配置されてもよく、すなわちｒ／Ｒは０より大きく１より小さければ如何なる値でもよい。ただし、目標火炎面通過時期はイオンプローブ２５の位置によって異なり、イオンプローブ２５が点火栓７に近づくほど早く、点火栓７から遠ざかるほど遅い。また、上記実施形態では、点火栓７は燃焼室５上面の中心に配置されているが、点火栓７は燃焼室５上面の中心以外の位置に配置されてもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、イオンプローブ２５によって点火栓７から所定距離の地点における火炎面の通過を検出しているが、それ以外の方法によって検出してもよい。例えば、火炎は光を発するため、火炎面の通過前後では光の強さが異なる。そこで、点火栓７から所定距離の地点に光ファイバを配置し、この光ファイバによって伝達された光をフォトトランジスタで検出することにより、火炎面の通過を検出することができる。あるいは、火炎内部の温度は火炎外部の温度に比べて非常に高い。したがって、火炎面の通過前後では温度が大きく異なる。そこで、点火栓７から所定距離の地点に温度センサを配置し、この温度センサによって温度を検出することによって火炎面の通過を検出することもできる。
【００４７】
また、上記実施形態では、検出された実際の火炎面通過時期Ｔと目標火炎面通過時期Ｔｔとの差分ΔＴと等しい期間だけ点火時期を調整しているが、ＰＩＤ制御等、他のフィードバック制御を用いてΔＴに基づいて火炎面通過時期の制御を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の点火時期制御装置を搭載した内燃機関全体を表す図である。
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩに沿って見た図であり、燃焼室の上面を概略的に示している。
【図３】クランク角と火炎半径／シリンダ半径との関係を示す。
【図４】第二実施形態の点火時期制御装置における点火時期制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】第二実施形態の点火時期制御装置の変更例における点火時期制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１    機関本体
５    燃焼室
６    燃焼噴射弁
７    点火栓
８    吸気弁
１０    排気弁
２１    ＥＧＲ通路
２５    イオンプローブ
２６    エアフロメータ
３１    ＥＣＵ
【図１】
2006077588.tif 000003
【図２】
2006077588.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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