(57)【要約】【課題】適切な点火時期を高い精度で制御する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】内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段５１と、運転状態に基づいて所定の基準燃焼割合を算出する基準燃焼割合算出手段５２と、基準燃焼割合に到達するときのクランク角を基準クランク角として算出する基準クランク角算出手段５３と、運転状態に基づいて筒内混合気の燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段５４と、筒内混合気の基本熱発生パターンを算出する基本熱発生パターン算出手段５４と、燃焼速度及び基本熱発生パターンに基づいて、点火が行われてから基準クランク角になるまでの燃焼期間を算出する燃焼期間算出手段５５，５６と、基準クランク角より燃焼期間分を進角させた時期を点火時期とする点火時期算出手段５７とを備える。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態に基づいて所定の基準燃焼割合を算出する基準燃焼割合算出手段と、
前記基準燃焼割合に到達するときのクランク角を基準クランク角として算出する基準クランク角算出手段と、
前記運転状態に基づいて筒内混合気の燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段と、
筒内混合気の基本熱発生パターンを算出する基本熱発生パターン算出手段と、
前記燃焼速度及び前記基本熱発生パターンに基づいて、点火が行われてから前記基準クランク角になるまでの燃焼期間を算出する燃焼期間算出手段と、
前記基準クランク角より前記燃焼期間分を進角させた時期を点火時期とする点火時期算出手段と、
を備える内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項２】
前記所定の基準燃焼割合は、ある燃焼割合になったときのクランク角が、燃焼期間の長さにかかわらず一定又は略一定となるときのその燃焼割合である、
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】
前記燃焼期間算出手段は、点火後に筒内混合気が実際の燃焼を開始するまでの燃焼むだ期間と、筒内混合気が実際に燃焼を開始してから基準クランク角になるまでの基準実燃焼期間とをそれぞれ算出して、それらの和をとる、
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４】
前記燃焼期間算出手段は、
前記基準燃焼割合を熱発生最大時燃焼割合とし、前記基準クランク角を熱発生率最大時クランク角としたときの熱発生率最大値を、前記運転状態及び前記燃焼速度に基づいて算出する熱発生率最大値算出部と、
前記熱発生率最大値及び前記基本熱発生パターンに基づいて前記基準実燃焼期間を算出する基準実燃焼期間算出部と、
を有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５】
前記基準実燃焼期間算出部は、筒内混合気が実際に燃焼する実燃焼期間を、前記熱発生率最大値に基づいて算出し、その実燃焼期間及び基本熱発生パターンに基づいて基準実燃焼期間を算出する、
ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
【請求項６】
前記熱発生率最大値算出部は、前記基準クランク角での火炎表面積、筒内混合気密度、前記燃焼速度及び前記運転状態に基づいて、前記熱発生率最大値を算出する、
ことを特徴とする請求項４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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の点火時期制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの点火時期は燃費や出力に影響し、また点火時期が狂うとノッキングや失火を生じるおそれがあるので、その制御は非常に重要である。通常は、１０〜１５ｄｅｇＡＴＤＣでシリンダ内圧力が最大圧になるように点火時期を制御している。しかし、点火時期設定の基本となる最大トルク最小進角点火時期（ＭＢＴ）は、エンジン回転速度、負荷、空燃比、ＥＧＲ率等によって時々刻々と変動する。そこで従来は、エンジン回転速度や負荷に応じて設定した基本点火時期マップと、さまざまな運転状態を想定した補正値マップとを備え、運転状態に応じてそれらのマップを参照して制御していた。しかし、そのような方法では、精度を向上させるためにマップの格子数やマップそのものを増やさなければならず、マップを作成するための膨大な予備実験を要する。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１では、１０〜１５ｄｅｇＡＴＤＣでシリンダ内圧力が最大圧になるという性質を利用し、燃焼期間を逐次算出して、時々刻々の運転状態に応じたＭＢＴ点火時期を算出している。この燃焼期間は燃焼速度に強く依存しており、さらに燃焼速度は運転条件や、空燃比及びＥＧＲ率等のシリンダ内の混合気の状態によって大きく変化するので、この燃焼期間を正確に算出することが重要である。その一方で、シリンダ内圧力が最大圧になるときのクランク角は、燃焼期間に比べれば変化代が少なく、一定であるとみなすことができる。そこで、上記特許文献１においては、シリンダ内圧力が最大圧になるときのクランク角については一定値とし、燃焼期間の算出に重点をおいてＭＢＴ点火時期を算出している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３０５３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、シリンダ内圧力が最大圧になるときのクランク角は、燃焼期間に比べれば変化代が少ないものの実際には変化している。
【０００６】
図１５は、あるエンジンにおいて、実燃焼期間が変化したときのシリンダ内圧力が最大圧になるときのクランク角（θｐｍａｘ）の特性を示す図である。図１５（Ａ）は低回転速度（一定回転速度）、図１５（Ｂ）は中回転速度（一定回転速度）、図１５（Ｃ）は高回転速度（一定回転速度）の場合を示す。なお、実燃焼期間とは、点火後実際に混合気が燃焼している期間であり、燃焼むだ期間（点火後実際に燃焼を開始するまでの期間）は含まない。この実燃焼期間は、例えば空燃比やＥＧＲ率等によって変動する。
【０００７】
この図１５を見てわかるようにエンジン回転速度が一定であっても、実燃焼期間が変動すれば、クランク角θｐｍａｘも変化する。例えば、図１５（Ａ）を見ると、エンジン回転速度が一定であっても、実燃焼期間が長くなるにつれてクランク角θｐｍａｘは進角側にズレている。
【０００８】
また、図１５（Ａ）〜（Ｃ）で同じ燃焼期間のときで比較しても、エンジン回転速度が変動するとクランク角θｐｍａｘも変化していることがわかる。そして例えばクランク角θｐｍａｘは、実燃焼期間が小さいときほど大きく変化していることがわかる。
【０００９】
このように、従来はシリンダ内圧力が最大圧になるときのクランク角を一定としているが、実際は変動があるので運転条件によってはＭＢＴ演算結果が十分に高い精度では得られないという可能性があった。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、適切な点火時期を高い精度で制御する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を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【００１２】
本発明は、内燃機関の運転状態に基づいて所定の基準燃焼割合を算出する基準燃焼割合算出手段（５２）と、前記基準燃焼割合に到達するときのクランク角を基準クランク角として算出する基準クランク角算出手段（５３）と、運転状態に基づいて筒内混合気の燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段（５４７）と、筒内混合気の基本熱発生パターンを算出する基本熱発生パターン算出手段（５４８）と、燃焼速度及び基本熱発生パターンに基づいて、点火が行われてから前記基準クランク角になるまでの燃焼期間を算出する燃焼期間算出手段（５５，５６）と、前記基準クランク角より前記燃焼期間分を進角させた時期を点火時期とする点火時期算出手段（５７）とを備えることを特徴とする。
【００１３】
【作用・効果】
本発明は燃焼解析の結果得られたものである。これを図８で説明すると、（Ｃ）は質量燃焼割合の変化を、（Ｂ）は熱発生率の変化を示し、基準燃焼割合に到達するときのクランク角つまり基準クランク角で熱発生率が最大になっている、というのが発明者の知見である。その一方で、理論解析によれば（Ｃ）の波形を微分した波形が（Ｂ）であり、また（Ｂ）の波形は燃焼室形状や点火プラグ位置等によってほぼ決まってしまうため、同一エンジンであればほぼ一定であるとみなすことができる。すなわち、エンジン機種が定まれば（Ｂ）の波形を既知の関数で与えることができる。
【００１４】
これらを総合した結果分かったことは、次のことである。すなわち、（Ｃ）に示す基準燃焼割合を熱発生最大時燃焼割合、基準クランク角（図では基準燃焼割合到達目標クランク角）ＣＡＴＧＭＢを熱発生率最大時クランク角ＣＡＭＸＨＲとすれば、（Ｂ）の波形の熱発生率最大値ＨＲＭＸを算出でき、この最大値ＨＲＭＸから（Ｂ）の実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮを算出できる。実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮが分かると、（Ｃ）の基準実燃焼期間ＤＣＡＲＬＭＢを算出でき、燃焼無駄期間ＩＧＮＤＥＡＤも算出できる。従って、基準クランク角ＣＡＴＧＭＢより燃焼期間分（ＤＣＡＲＬＭＢ＋ＩＧＮＤＥＡＤ）を進角させた時期を点火時期とすればよいことがわかる。
【００１５】
このように本発明は、燃焼解析と燃焼理論に既知の経験を巧妙に組み合わることで初めて成ったものであり、これによりシリンダ内圧力が最大圧となるときのクランク角に基づかなくてもＭＢＴの得られる点火時期を精度よく与えることができ、かつ従来よりマッチングの工数も格段に減らすことができたのである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。（第１実施形態）
図１は、本発明のシステムを説明するための概略図である。
【００１７】
空気は吸気コレクタ２に蓄えられた後、吸気マニホールド３を介して各気筒の燃焼室５に導入される。燃料は各気筒の吸気ポート４に配置された燃料インジェクタ２１より噴射供給される。空気中に噴射された燃料は気化しつつ空気と混合してガス（混合気）を作り、燃焼室５に流入する。この混合気は吸気弁１５が閉じることで燃焼室５内に閉じこめられ、ピストン６の上昇によって圧縮される。
【００１８】
この圧縮混合気に対して高圧火花により点火を行うため、パワートランジスタ内蔵の点火コイルを各気筒に配した電子配電システムの点火装置１１を備える。すなわち、点火装置１１は、バッテリからの電気エネルギーを蓄える点火コイル１３と、点火コイル１３の一次側への通電、遮断を行うパワートランジスタと、燃焼室５の天井に設けられ点火コイル１３の一次電流の遮断によって点火コイル１３の二次側に発生する高電圧を受けて、火花放電を行う点火プラグ１４とからなっている。
【００１９】
圧縮上死点より少し手前で点火プラグ１４により火花が飛ばされ圧縮混合気に着火されると、火炎が広がりやがて爆発的に燃焼し、この燃焼によるガス圧がピストン６を押し下げる仕事を行う。この仕事はクランクシャフト７の回転力として取り出される。燃焼後のガス（排気）は排気弁１６が開いたとき排気通路８へと排出される。
【００２０】
排気通路８には三元触媒９を備える。三元触媒９は排気の空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲（ウインドウ）にあるとき、排気に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘといった有害三成分を同時に効率よく除去できる。空燃比は吸入空気量と燃料量の比であるので、エンジンの１サイクル（４サイクルエンジンではクランク角で７２０°区間）当たりに燃焼室５に導入される吸入空気量と、燃料インジェクタ２１からの燃料噴射量との比が理論空燃比となるように、エンジンコントローラ５０ではエアフローメータ３２からの吸入空気流量の信号とクランク角センサ（３３、３４）からの信号に基づいて燃料インジェクタ２１からの燃料噴射量を定めると共に、三元触媒９の上流に設けたＯ２センサ３５からの信号に基づいて空燃比をフィードバック制御している。
【００２１】
吸気コレクタ２の上流には絞り弁２３がスロットルモータ２４により駆動される、いわゆる電子制御スロットル２２を備える。運転者が要求するトルクはアクセルペダル４１の踏み込み量（アクセル開度）に現れるので、エンジンコントローラ５０ではアクセルセンサ４２からの信号に基づいて目標トルクを定め、この目標トルクを実現するための目標空気量を定め、この目標空気量が得られるようにスロットルモータ２４を介して絞り弁２３の開度を制御する。
【００２２】
吸気弁用カムシャフト２５、排気弁用カムシャフト２６及びクランクシャフト７の各前部にはそれぞれカムスプロケット、クランクスプロケットが取り付けられ、これらスプロケットにタイミングチェーン（不図示）を掛け回すことで、カムシャフト２５、２６がエンジンのクランクシャフト７により駆動されるのであるが、このカムスプロケットと吸気弁用カムシャフト２５との間に介在して、作動角一定のまま吸気弁用カムの位相を連続的に制御し得る吸気バルブタイミングコントロール機構（以下、「吸気ＶＴＣ機構」という。）２７と、カムスプロケットと排気弁用カムシャフト２６との間に介在して、作動角一定のまま排気弁用カムの位相を連続的に制御し得る排気バルブタイミングコントロール機構（以下、「排気ＶＴＣ機構」という。）２８とを備える。吸気弁１５の開閉時期や排気弁１６の開閉時期を変えると燃焼室５に残留する不活性ガスの量が変化する。燃焼室５内の不活性ガスの量が増えるほどポンピングロスが減って燃費がよくなるので、運転条件によりどのくらいの不活性ガスが燃焼室５内に残留したらよいかを目標吸気弁閉時期や目標排気弁閉時期にして予め定めており、エンジンコントローラ５０ではそのときの運転条件（エンジンの負荷と回転速度）より目標吸気弁閉時期と目標排気弁閉時期を定め、それら目標値が得られるように吸気ＶＴＣ機構２７、排気ＶＴＣ機構２８の各アクチュエータを介して吸気弁閉時期と排気弁閉時期を制御する。
【００２３】
吸気温度センサ４３からの吸気温度の信号、吸気圧力センサ４４からの吸気圧力の信号、排気温度センサ４５からの排気温度の信号、排気圧力センサ４６からの排気圧力の信号が、水温センサ３７からの冷却水温の信号と共に入力されるエンジンコントローラ５０では、パワートランジスタ１３を介して点火プラグ１４の一次側電流の遮断時期である点火時期を制御する。
【００２４】
この点火時期の制御は、従来はシリンダ内圧力が最大圧になるときにはクランク角がほぼ一定であるという特性を利用して、時々刻々と変化する燃焼速度から燃焼期間を算出することで点火時期を調整していた。しかし、シリンダ内圧力が最大圧になるときのクランク角は、燃焼期間に比べれば変化代が少ないものの実際には変化している。
【００２５】
そこで、本件発明者は、燃焼期間にかかわらず一定となる質量燃焼割合やクランク角が存在することを実験によって突き止めた。ここに質量燃焼割合とは既燃ガス質量を全混合ガス質量で割った値であり、最近の燃焼解析技術の進歩により計測可能となった物理量である。そして、エンジンのシリンダ容積や点火位置等のエンジン特性が定まれば、質量燃焼割合とクランク角との関係は、ある関数で表すことができる。すなわち、その内容を図８に基づいて説明すると、（Ｃ）は質量燃焼割合の変化を、（Ｂ）は熱発生率の変化を示し、基準燃焼割合に到達するときのクランク角つまり基準クランク角で熱発生率が最大になっている、というのが発明者の知見である。その一方で、理論解析によれば（Ｃ）の波形を微分した波形が（Ｂ）であり、また（Ｂ）の波形は燃焼室形状や点火プラグ位置等によってほぼ決まってしまうため、同一エンジンであればほぼ一定であるとみなすことができる。すなわち、エンジン機種が定まれば（Ｂ）の波形を既知の関数で与えることができる。この波形の形状が基本熱発生パターンである。つまりエンジン機種が定まれば基本熱発生パターンも定まるのである。したがって、質量燃焼割合又はクランク角のいずれか一方が定まれば、その関数（基本熱発生パターン）を利用することで他方も極めて短時間で求まるのである。そして、このようにして求めた質量燃焼割合及びクランク角を利用して点火時期を制御すれば、より適切な時期で点火を行うことができるのである。本発明は、発明者の上記知見に基づいてなされたものである。
【００２６】
（本発明の点火時期制御の基本的な考え方）
燃焼時の既燃ガス質量ｍの増大速度ｄｍ／ｄｔは一般に以下で表すことができる。
【００２７】
【数１】
2004332659.tif 000003
既燃ガス質量ｍの全混合ガス質量Ｍに対する比（ｍ／Ｍ）を質量燃焼割合Ｘといい、全混合ガスのうちの何割を燃焼したかを表す指標となるものである。この質量燃焼割合Ｘ（＝ｍ／Ｍ）をクランク角θで微分したものは、時々刻々のクランク角までに全混合ガスのうちの何割を燃焼したのかを表す指標となり、これを熱発生率という。したがって、熱発生率ｄＸ／ｄθは以下になる。
【００２８】
【数２】
2004332659.tif 000004
この（２）式を用いて燃焼速度ｖから熱発生率ｄＸ／ｄθを求めることができる。
【００２９】
また、質量燃焼割合Ｘ［％］は、クランク角θ（ただしθＳ≦θ≦θＳ＋θＢ）［ｄｅｇ］の関数として以下で表すことができる。
【００３０】
【数３】
2004332659.tif 000005
なお、ａ，ｎは燃焼室形状や点火プラグ位置、および燃焼室内のガス流動特性等、エンジン機種によって定まる定数であり、あらかじめこれらを実験等によって予め求めておく。（３）式をθで微分すると以下になる。
【００３１】
【数４】
2004332659.tif 000006
この熱発生率ｄＸ／ｄθをさらにθで微分した値（ｄ２Ｘ／ｄθ２）が０となるθ＝θＭを求め、そのθ＝θＭを（４）式に代入すればｄＸ／ｄθの最大値が求まる。すなわち以下になる。
【００３２】
ｄ２Ｘ／ｄθ２＝０
【００３３】
【数５】
2004332659.tif 000007
【００３４】
【数６】
2004332659.tif 000008
（６）式においてａ，ｎは定数であるから、θＢが決まれば（６）式の左辺であるｄＸ／ｄθの最大値が一義的に定まり、逆にｄＸ／ｄθの最大値が決まればθＢが一義的に定まることが、この（６）式よりわかる。したがって、（２）式から熱発生率ｄＸ／ｄθの最大値が求まれば、その値と（６）式とによりθＢが一義的に定まるのである。したがって、燃焼速度ｖが決まれば熱発生率ｄＸ／ｄθが定まり、その最大値より実燃焼期間θＢが決まる。
【００３５】
また、（３）式をクランク角θについて解けば以下になる。
【００３６】
【数７】
2004332659.tif 000009
したがって、基準燃焼割合をあらかじめ求めておけば、この（７）式を利用して、実燃焼開始クランク角θＳを始点としてその基準燃焼割合に到達するまでの期間（θ−θＳ）が求まる。そして、実燃焼開始クランク角θＳから、さらに燃焼むだ期間を減算することで最適な点火時期（ＭＢＴ）が定まるのである。
【００３７】
本発明では、燃焼期間にかかわらず一定となる質量燃焼割合が存在することを実験によって突き止め、また、エンジンのシリンダ容積や点火位置等のエンジン特性が定まれば、質量燃焼割合とクランク角との関係を、ある関数で表すことができることを見いだした。したがって、質量燃焼割合又はクランク角のいずれか一方が定まれば、その関数を利用することで他方も極めて短時間で求まるのである。そして、この質量燃焼割合を基準燃焼割合として、その基準燃焼割合から基準クランク角を算出して、基準燃焼割合及び基準クランク角を利用することで、より適切な時期で点火を行うものである。
【００３８】
以下では、具体的な点火時期制御装置について説明する。
【００３９】
図２は、本発明による点火時期制御装置の第１実施形態を示すブロック図である。
【００４０】
エンジンコントローラ（点火制御装置）５０は、エンジン運転状態検出部５１と、基準燃焼割合算出部５２と、基準燃焼割合到達クランク角算出部５３と、実燃焼期間算出部５４と、基準実燃焼期間算出部５５と、燃焼むだ期間算出部５６と、基本点火時期算出部５７と、進角／遅角限界算出部５８と、点火時期算出部５９とを有する。
【００４１】
エンジン運転状態検出部５１は、エンジンの運転状態として、基本パルス幅Ｔｐ［ｍｓｅｃ］、１シリンダ１行程当たりの吸入空気質量ＱＡ［ｋｇ］、空燃比ＡＢＹＦ［−］、エンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］等を検出する。
【００４２】
基準燃焼割合算出部５２は、制御対象エンジンの基準燃焼割合を算出する。この基準燃焼割合とは、実燃焼期間が変動しても一定値となる質量燃焼割合であり、このような一定値を基準値とするのである。この基準燃焼割合はエンジンのシリンダ形状や点火位置等のエンジン特性によって定まるものである。この基準燃焼割合をあらかじめ予備実験によって求めておく。基準燃焼割合算出部５２は、それをデータとして記憶しておき、この記憶してあるデータに基づいて基準燃焼割合を算出する。本実施形態の点火時期装置の予備実験データを図３に示す。
【００４３】
図３は、制御対象エンジンにおいて、実燃焼期間が変化したときの質量燃焼割合（ｍ／Ｍ）を、クランク角が５，７，１０ｄｅｇＡＴＤＣについて示した線図である。図３（Ａ）はエンジン回転速度が８００ｒｐｍ、図３（Ｂ）は２０００ｒｐｍ、図３（Ｃ）は４０００ｒｐｍの場合である。
【００４４】
図３（Ａ）を見てわかるように、エンジン回転速度が８００ｒｐｍのときはクランク角１０ｄｅｇＡＴＤＣのときに質量燃焼割合が一定（５０％）である。また、図３（Ｂ）を見てわかるように、エンジン回転速度が２０００ｒｐｍのときはクランク角７ｄｅｇＡＴＤＣのときに質量燃焼割合が一定（５０％）である。さらに、図３（Ｃ）を見てわかるように、エンジン回転速度が４０００ｒｐｍのときはクランク角５ｄｅｇＡＴＤＣのときに質量燃焼割合が一定（５０％）である。
【００４５】
このような予備実験に基づいて、本実施形態の基準燃焼割合算出部５２では、基準燃焼割合として５０％を記憶しておく。なお、図３では、エンジン回転速度の相違にかかわらず質量燃焼割合が５０％の一定値となったが、エンジン回転速度に応じて変化することも考えられる。したがって、その場合にはエンジン回転速度によって変化する質量燃焼割合のデータを記憶しておき、エンジン回転速度に応じてその結果を算出するようにすればよい。そして、そのように質量燃焼割合が変化する場合については第２実施形態に示してある。
【００４６】
基準燃焼割合到達クランク角算出部５３は、基準燃焼割合に到達するときのクランク角ＣＡＴＧＭＢ［ｄｅｇＡＴＤＣ］を算出する。具体的な算出法については図４を参照して説明する。なお図４は基準燃焼割合到達クランク角の算出フローを示す図である。
【００４７】
基準燃焼割合到達クランク角算出部５３は、クランク角算出テーブル５３１を有している。このクランク角算出テーブル５３１は、実燃焼期間が変動しても質量燃焼割合が一定値になるときのクランク角（すなわち基準燃焼割合に対するクランク角）を、エンジン回転速度との関係でプロットしたものである。すなわち、エンジン回転速度が８００ｒｐｍである図３（Ａ）においてクランク角１０ｄｅｇで質量燃焼割合が一定値（５０％）になっているが、この点をＡにプロットしてある。また、エンジン回転速度が２０００ｒｐｍである図３（Ｂ）においてクランク角７ｄｅｇで質量燃焼割合が一定値（５０％）になっているが、この点をＢにプロットしてある。さらに、エンジン回転速度が４０００ｒｐｍである図３（Ｃ）においてクランク角５ｄｅｇで質量燃焼割合が一定値（５０％）になっているが、この点をＣにプロットしてある。クランク角算出テーブル５３１は、このようにしてプロットした点を結んだ線を示した。
【００４８】
基準燃焼割合到達クランク角算出部５３は、エンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を入力して、クランク角算出テーブル５３１に基づいて基準燃焼割合到達クランク角を算出する。また、基準燃焼割合に到達したときが熱発生率の最大となるときであるので、この基準燃焼割合到達クランク角と同値を熱発生率最大時クランク角ＣＡＭＸＨＲ［ｄｅｇＡＴＤＣ］とする。
【００４９】
実燃焼期間算出部５４は、実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮ［ｄｅｇＣＡ］を算出する。具体的な算出法については図５を参照して説明する。なお図５は基準燃焼割合到達クランク角の算出フローを示す図である。
【００５０】
実燃焼期間算出部５４は、火炎径割合算出テーブル５４１と、ピストン変位算出テーブル５４２と、火炎表面積算出部５４３と、圧力温度比算出テーブル５４４と、気体定数算出部５４５と、ガス密度算出部５４６と、燃焼速度算出部５４７と、熱発生率最大値算出部５４８と、実燃焼期間算出テーブル５４９とを有している。
【００５１】
実燃焼期間算出部５４は、まず始めに熱発生最大時の質量燃焼割合ＭＢＭＸＨＲ［％］（＝５０％）を入力し、火炎径割合算出テーブル５４１に基づいて、熱発生率最大時の火炎径割合ＲＦＭＸＨＲ［−］を算出する。なお、火炎径割合とは、火炎が円柱状に生成していると仮定したときに、火炎円柱径のシリンダボアに対する割合である。
【００５２】
また、実燃焼期間算出部５４は、熱発生率最大時クランク角ＣＡＭＸＨＲ［ｄｅｇＡＴＤＣ］を入力し、ピストン変位算出テーブル５４２に基づいて熱発生率最大時のピストン変位ＳＴＭＸＨＲ［ｍ］を算出する。
【００５３】
そして、火炎表面積算出部５４３においては、火炎が円柱状に生成しているとして、火炎径割合ＲＦＭＸＨＲ［−］及びピストン変位ＳＴＭＸＨＲ［ｍ］に基づいて熱発生率最大時の火炎表面積ＡＦＭＸＨＲ［ｍ２］を算出する。なお、熱発生率最大時火炎表面積ＡＦＭＸＨＲ［ｍ２］は以下の式で表される。
【００５４】
【数８】
2004332659.tif 000010
また、実燃焼期間算出部５４は、熱発生率最大時クランク角ＣＡＭＸＨＲ［ｄｅｇＡＴＤＣ］及び基本パルス幅Ｔｐ［ｍｓｅｃ］を入力して、圧力温度比算出テーブル５４４に基づいて熱発生率最大時の圧力温度比ＲＰＴＭＸＨＲ［Ｐａ／Ｋ］を算出する。
【００５５】
また、実燃焼期間算出部５４は、１シリンダ１行程当たりの吸入空気質量ＱＡ［ｋｇ］及び空燃比ＡＢＹＦ［−］を入力して、気体定数算出部５４５で筒内ガス気体定数ＲＧＡＳＣＹＬ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］を算出する。
【００５６】
なお、気体定数Ｒ１、質量Ｍ１の気体と、気体定数Ｒ２、質量Ｍ２の気体とを混合したときの気体定数Ｒは、一般に以下の式で表される。
【００５７】
【数９】
2004332659.tif 000011
また、空燃比ＡＢＹＦ＝ＱＡ／ＱＦ
ＱＡ：１シリンダ１行程当たりの吸入空気質量［ｋｇ］
ＱＦ：１シリンダ１行程当たりの吸入燃料質量［ｋｇ］
したがって、筒内ガス気体定数ＲＧＡＳＣＹＬ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］は、以下の式で表される。
【００５８】
【数１０】
2004332659.tif 000012
そして、ガス密度算出部５４６において、圧力温度比ＲＰＴＭＸＨＲ［Ｐａ／Ｋ］及び筒内ガス気体定数ＲＧＡＳＣＹＬ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］に基づいて、熱発生率最大時の筒内ガス密度ＲＯＭＸＨＲ［ｋｇ／ｍ３］を算出する。なお熱発生率最大時筒内ガス密度ＲＯＭＸＨＲ［ｋｇ／ｍ３］は以下の式で表される。
【００５９】
【数１１】
2004332659.tif 000013
実燃焼期間算出部５４は、エンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を入力し、燃焼速度算出部５４７において熱発生率最大時の燃焼速度ＳＦＭＸＨＲ［ｍ／ｓ］を算出する。まず始めにガス流動の乱れ強さＳＴ［−］を算出し、そのＳＴに層流燃焼速度ＳＬ［ｍ／ｓ］を乗じて熱発生率最大時燃焼速度ＳＦＭＸＨＲ［ｍ／ｓ］を算出する。
【００６０】
すなわち、
ＳＴ＝Ｃ×ＮＥ  …（１２）
ただし、Ｃ：定数、
なお、回転速度をパラメータとするテーブルから乱れ強さＳＴを求めてもよい。
【００６１】
また、ＳＦＭＸＨＲ［ｍ／ｓ］＝ＳＬ×ＳＴ…（１３）
ただし、ＳＬ：層流燃焼速度［ｍ／ｓｅｃ］、
なお層流燃焼速度ＳＬは予め実験的に求めた固定値である。
【００６２】
続いて、熱発生率最大時火炎表面積ＡＦＭＸＨＲ［ｍ２］、熱発生率最大時筒内ガス密度ＲＯＭＸＨＲ［ｋｇ／ｍ３］、１シリンダ１行程当たりの吸入空気質量ＱＡ［ｋｇ］、空燃比ＡＢＹＦ［−］、熱発生率最大時燃焼速度ＳＦＭＸＨＲ［ｍ／ｓ］、エンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］に基づいて、熱発生率最大値算出部５４８において熱発生率最大値ＨＲＭＸ［％／ｄｅｇＣＡ］を求める。ここに、熱発生率は上記の（２）式で表される。
【００６３】
したがって、ρにＲＯＭＸＨＲ（熱発生率最大時筒内ガス密度）［ｋｇ／ｍ３］を、ＡにＡＦＭＸＨＲ（熱発生率最大時火炎表面積）［ｍ２］を、ｖに熱発生率最大時燃焼速度ＳＦＭＸＨＲ［ｍ／ｓ］を、それぞれ代入する。また、Ｍは以下で表される。
【００６４】
【数１２】
2004332659.tif 000014
ｄθ／ｄｔはクランク角θの回転速度であるから、エンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］の単位変換をして６×ＮＥ［ｄｅｇ／ｓｅｃ］となる。
【００６５】
以上より熱発生率最大値ＨＲＭＸ［％／ｄｅｇＣＡ］は以下で表される。
【００６６】
【数１３】
2004332659.tif 000015
続いて、実燃焼期間算出テーブル５４９で、この熱発生率最大値ＨＲＭＸ［％／ｄｅｇＣＡ］に基づいて実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮ［ｄｅｇＣＡ］を算出する。
【００６７】
基準実燃焼期間算出部５５は、基準実燃焼期間ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］を算出する。具体的な算出法については図６を参照して説明する。なお図６は基準実燃焼期間の算出フローを示す図である。
【００６８】
基準実燃焼期間算出部５５は、実燃焼期間算出テーブル５５１を有している。この実燃焼期間算出テーブル５５１は、ある燃焼割合のときの実燃焼期間と基準燃焼割合到達期間との関係を示すテーブルである。本実施形態では５０％の燃焼割合のときの関係を示している。
【００６９】
基準実燃焼期間算出部５５では、実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮ［ｄｅｇＣＡ］を入力し、実燃焼期間算出テーブル５５１に基づいて基準実燃焼期間ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］を算出する。
【００７０】
燃焼むだ期間算出部５６は、燃焼むだ期間ＩＧＮＤＥＡＤ［ｄｅｇＣＡ］を算出する。具体的な算出法については図７を参照して説明する。なお図７は燃焼むだ期間の算出フローを示す図である。
【００７１】
燃焼むだ期間算出部５６では、燃焼むだ時間ＤＥＡＤＴＩＭＥ［ｓｅｃ］及びエンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を入力して燃焼むだ期間ＩＧＮＤＥＡＤ［ｄｅｇＣＡ］を算出する。なお燃焼むだ期間ＩＧＮＤＥＡＤ［ｄｅｇＣＡ］は以下の式で表される。
【００７２】
2004332659.tif 000016
基本点火時期算出部５７は、基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］を算出する。なお基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］は以下の式で表される。
【００７３】
ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］＝ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］−ＣＡＴＧＭＢ［ｄｅｇＡＴＤＣ］＋ＩＧＮＤＥＡＤ［ｄｅｇＣＡ］
進角／遅角限界算出部５８は進角／遅角限界を算出する。すなわち、クランク角が進みすぎたり、遅れすぎたりすると、ノッキングや失火を生じるので、限界値を設け、その限界値以上の進角／遅角を防止する。
【００７４】
点火時期算出部５９は点火時期を算出する。具体的には、基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］が進角／遅角の限界値を超えていなければ、その基本点火時期ＭＢＴＣＡＬを点火時期にし、超えていたらその限界値を点火時期にする。
【００７５】
前述の通り、従来はシリンダ内圧力が最大圧Ｐｍａｘになるクランク角θｐｍａｘがほぼ一定になるという性質を利用し、燃焼期間を逐次算出して、時々刻々の運転状態に応じた適切な点火時期を制御していた。しかし、シリンダ内圧力が最大圧になるときのクランク角や質量燃焼割合は実際には変化している。例えば、図８（Ａ）では、クランク角とシリンダ内圧との関係を、燃焼時を実線で、モータリング時を破線で示してあるが、このようにシリンダ内圧力が最大圧Ｐｍａｘになるクランク角θｐｍａｘは一定値ではない。そのため、運転条件によってはＭＢＴ演算結果が十分に高い精度では得られないという可能性があった。
【００７６】
そこで、本件発明者は、燃焼期間にかかわらず一定となる質量燃焼割合が存在し、また、エンジンのシリンダ容積や点火位置等のエンジン特性が定まれば、質量燃焼割合とクランク角との関係を、ある関数で表すことができることを見いだし、その性質を利用して、その質量燃焼割合を基準値（基準燃焼割合）とし、その基準燃焼割合に到達したときのクランク角から点火時期を決めるようにしたのである。
【００７７】
具体的には図２及び図８（Ｂ）（Ｃ）を参照して説明する。
【００７８】
ステップ１として、基準燃焼割合算出部５２により基準燃焼割合を算出する。
【００７９】
ステップ２として、基準燃焼割合到達クランク角算出部５３により基準燃焼割合到達クランク角（ＣＡＴＧＭＢ）を算出する。
【００８０】
ステップ３として、燃焼期間（ＤＣＡＲＬＭＢ＋ＩＧＮＤＥＡＤ）を算出する。始めに実燃焼期間算出部５４において熱発生率最大値（ＨＲＭＸ）を求め、この熱発生率最大値（ＨＲＭＸ）により実燃焼期間（ＤＣＡＢＲＮ）を算出する。そして、基準実燃焼期間算出部５５で実燃焼期間（ＤＣＡＢＲＮ）に基づいて基準実燃焼期間（ＤＣＡＲＬＭＢ）を求める。また、燃焼むだ期間算出部５６で燃焼むだ期間（ＩＧＮＤＥＡＤ）を算出する。
【００８１】
ステップ４として、基本点火時期算出部５７で基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ（＝ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］−ＣＡＴＧＭＢ［ｄｅｇＡＴＤＣ］＋ＩＧＮＤＥＡＤ［ｄｅｇＣＡ］）を算出する。そして、この基本点火時期ＭＢＴＣＡＬが進角／遅角限界算出部５８で算出した進角／遅角限界内であれば、その時期で点火を行うのである。
【００８２】
このように、燃焼期間にかかわらず一定になる基準値を算出し、その基準値から基準クランク角を算出して、その基準クランク角になるまでの燃焼期間分を進角させた時期を点火時期とするようにしたので、燃焼期間にかかわらず、最適な点火時期を極めて短時間で算出することができるようになり、点火時期を高い精度で制御することができるようになったのである。
【００８３】
（第２実施形態）
図９は本発明による点火時期制御装置の第２実施形態を示すブロック図である。なお以下の実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００８４】
本実施形態の点火時期制御装置は、基準実燃焼期間算出部５５ａにおいて基準燃焼割合ＭＢＴＧをも入力し、その基準燃焼割合ＭＢＴＧ及び実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮに基づいて基準実燃焼期間ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］を算出するものである。具体的な算出法については図１０を参照して説明する。なお図１０は基準実燃焼期間の算出フローを示す図である。
【００８５】
基準実燃焼期間算出部５５ａは、実燃焼期間算出テーブル５５１ａを有している。この実燃焼期間算出テーブル５５１ａは、燃焼割合ごとに実燃焼期間と基準燃焼割合到達期間との関係を示すマップである。
【００８６】
基準実燃焼期間算出部５５ａでは、実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮ［ｄｅｇＣＡ］及び基準燃焼割合ＭＢＴＧ［％］を入力し、実燃焼期間算出テーブル５５１ａに基づいて基準実燃焼期間ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］を算出する。
【００８７】
上述の第１実施形態では、エンジン回転速度の変動にかかわらず質量燃焼割合が一定値となっていたが、質量燃焼割合が変動する場合には本実施形態のように実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮ［ｄｅｇＣＡ］及び基準燃焼割合ＭＢＴＧ［％］に基づいて基準実燃焼期間ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］を算出するようにする。このようにすることでさまざまなエンジンにおいて本発明を適用することができるのである。
【００８８】
（第３実施形態）
図１１は本発明による点火時期制御装置の第３実施形態を示すブロック図である。
【００８９】
本実施形態の点火制御装置（エンジンコントローラ）６０は、基準クランク角に基づいて基準クランク角到達時燃焼割合を算出し、さらにその基準クランク角到達時燃焼割合に基づいて基準実燃焼期間を算出して点火時期を決定しようとするものである。以下では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００９０】
エンジンコントローラ（点火制御装置）６０は、エンジン運転状態検出部５１と、実燃焼期間算出部５４と、基準実燃焼期間算出部５５ｂと、燃焼むだ期間算出部５６と、基本点火時期算出部５７と、進角／遅角限界算出部５８と、点火時期算出部５９と、基準クランク角算出部６１と、基準クランク角到達時燃焼割合算出部６２とを有する。
【００９１】
基準クランク角算出部６１は、制御対象エンジンの熱発生率が最大になる時のクランク角ＣＡＭＸＨＲ［ｄｅｇＡＴＤＣ］を算出する。具体的な算出法については図１２を参照して説明する。なお、図１２は基準燃焼割合到達クランク角の算出フローを示す図である。
【００９２】
基準クランク角算出部６１は、クランク角算出テーブル６１１を有している。このクランク角算出テーブル６１１は、実燃焼期間が変化しても質量燃焼割合が一定値になるときのクランク角を、エンジン回転速度との関係でプロットしたものである。すなわち、エンジン回転速度が８００ｒｐｍである図３（Ａ）においてクランク角１０ｄｅｇで質量燃焼割合が一定値（５０％）になっているが、この点をＡにプロットしてある。また、エンジン回転速度が２０００ｒｐｍである図３（Ｂ）においてクランク角７ｄｅｇで質量燃焼割合が一定値（５０％）になっているが、この点をＢにプロットしてある。さらに、エンジン回転速度が４０００ｒｐｍである図３（Ｃ）においてクランク角５ｄｅｇで質量燃焼割合が一定値（５０％）になっているが、この点をＣにプロットしてある。クランク角算出テーブル６１１は、このようにしてプロットした点を結んだ線を示した。
【００９３】
熱発生率最大時クランク角算出部６１は、エンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］を入力して、クランク角算出テーブル６１１に基づいて、熱発生率最大時クランク角ＣＡＭＸＨＲ［ｄｅｇＡＴＤＣ］を算出する。
【００９４】
そして、この熱発生率最大時クランク角ＣＡＭＸＨＲ［ｄｅｇＡＴＤＣ］に基づいて、実燃焼期間算出部５４で実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮ［ｄｅｇＣＡ］を算出する。
【００９５】
基準クランク角到達時燃焼割合算出部６２は、基準クランク角（熱発生率最大時クランク角）に到達した時の燃焼割合ＭＢＴＧＣＡ［％］を算出部する。具体的な算出法については図１３を参照して説明する。なお図１３は基準クランク角到達時燃焼割合の算出フローを示す図である。
【００９６】
基準クランク角到達時燃焼割合算出部６２は、燃焼割合算出テーブル６２１を有している。この燃焼割合算出テーブル６２１は、燃焼期間ごとに燃焼割合とエンジン回転速度との関係を示すマップである。基準クランク角到達時燃焼割合算出部６２では、エンジン回転速度ＮＥ［ｒｐｍ］及び実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮ［ｄｅｇＣＡ］を入力し、燃焼割合算出テーブル６３１に基づいて基準クランク角到達時燃焼割合ＭＢＴＧＣＡ［％］を算出する。
【００９７】
そして、この基準クランク角到達時燃焼割合ＭＢＴＧＣＡ［％］に基づいて基準実燃焼期間算出部５５ｂで基準実燃焼期間ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］を算出する。具体的な算出法については図１４を参照して説明する。なお図１４は基準実燃焼期間の算出フローを示す図である。
【００９８】
基準実燃焼期間算出部５５ｂは、実燃焼期間算出テーブル５５１ｂを有している。この実燃焼期間算出テーブル５５１ｂは、燃焼割合ごとに実燃焼期間と基準燃焼割合到達期間との関係を示すマップである。基準実燃焼期間算出部５５ｂでは、実燃焼期間ＤＣＡＢＲＮ［ｄｅｇＣＡ］及び基準クランク角到達時燃焼割合ＭＢＴＧＣＡ［％］を入力し、実燃焼期間算出テーブル５５１ｂに基づいて基準実燃焼期間ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］を算出する。
【００９９】
そして、この基準実燃焼期間ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］に基づいて基本点火時期算出部５７で基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］を算出する。なお基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］は以下の式で表される。
【０１００】
ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］＝ＤＣＡＲＬＭＢ［ｄｅｇＣＡ］−ＣＡＴＧＭＢ［ｄｅｇＡＴＤＣ］＋ＩＧＮＤＥＡＤ［ｄｅｇＣＡ］
そして、第１実施形態と同様に点火時期算出部５９で点火時期を算出する。
【０１０１】
本実施形態のように、基準クランク角を始めに求め、そのクランク角に達したときの質量燃焼割合を算出するようにしても、上記実施形態と同様に、より高い精度で適切な時期で点火することが可能である。
【０１０２】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステムを説明するための概略図である。
【図２】本発明による点火時期制御装置の第１実施形態を示すブロック図である。
【図３】制御対象エンジンにおいて、実燃焼期間が変化したときの質量燃焼割合を、クランク角が５，７，１０ｄｅｇＡＴＤＣについて示した線図である。
【図４】基準燃焼割合到達クランク角の算出フローを示す図である。
【図５】基準燃焼割合到達クランク角の算出フローを示す図である。
【図６】基準実燃焼期間の算出フローを示す図である。
【図７】燃焼むだ期間の算出フローを示す図である。
【図８】本発明のポイントを説明する図である。
【図９】本発明による点火時期制御装置の第２実施形態を示すブロック図である。
【図１０】基準実燃焼期間の算出フローを示す図である。
【図１１】本発明による点火時期制御装置の第３実施形態を示すブロック図である。
【図１２】基準燃焼割合到達クランク角の算出フローを示す図である。
【図１３】基準クランク角到達時燃焼割合の算出フローを示す図である。
【図１４】基準実燃焼期間の算出フローを示す図である。
【図１５】あるエンジンにおいて、実燃焼期間が変化したときのシリンダ内圧力が最大圧になるときのクランク角、質量燃焼割合の特性を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン
５  燃焼室
１３  点火コイル
１４  点火プラグ
１５  吸気弁
１６  排気弁
２１  燃料インジェクタ
３３、３４  クランク角センサ
５０  エンジンコントローラ（点火制御装置）
５１  エンジン運転状態検出部（運転状態検出手段）
５２  基準燃焼割合算出部（基準燃焼割合算出手段）
５３  基準燃焼割合到達クランク角算出部（基準クランク角算出手段）
５４  実燃焼期間算出部
５４７  燃焼速度算出部（燃焼速度算出手段）
５４８  熱発生率最大値算出部
５５  基準実燃焼期間算出部
５６  燃焼むだ期間算出部
５７  基本点火時期算出部
５８  進角／遅角限界算出部
５９  点火時期算出部
【図１】
2004332659.tif 000017
【図２】
2004332659.tif 000018
【図３】
2004332659.tif 000019
【図４】
2004332659.tif 000020
【図５】
2004332659.tif 000021
【図６】
2004332659.tif 000022
【図７】
2004332659.tif 000023
【図８】
2004332659.tif 000024
【図９】
2004332659.tif 000025
【図１０】
2004332659.tif 000026
【図１１】
2004332659.tif 000027
【図１２】
2004332659.tif 000028
【図１３】
2004332659.tif 000029
【図１４】
2004332659.tif 000030
【図１５】
2004332659.tif 000031