(57)【要約】【課題】  燃焼開始時期の高精度な制御を低負荷で簡易に実行可能とする実用的な内燃機関の制御装置および内燃機関の制御方法の提供。【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、クランク角を検出するクランク角センサ１４と、クランク角センサ１４によって検出されるクランク角が所定角度になった際の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、筒内圧センサ１５によって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指数で累乗した値との積である制御パラメータに基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合を算出し、算出した燃焼割合が目標値と一致するように各点火プラグ７による点火時期を補正する。【選択図】  図１
2005036754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料および空気の混合気を筒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、
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と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積と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演算手段と、
前記演算手段によって算出された燃焼割合が目標値と一致するように筒内における燃焼開始時期を補正する補正手段と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】
前記演算手段は、前記筒内圧検出手段によって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指数で累乗した値との積である制御パラメータに基づいて前記所定のタイミングにおける燃焼割合を算出す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】
前記所定のタイミングは、吸気弁開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、前記演算手段は、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制御パラメータの差分と、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制御パラメータ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２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
燃料および空気の混合気を筒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、
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と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて所定のタイミングにおける熱発生率を算出する演算手段と、
前記演算手段によって算出された熱発生率に基づいて筒内における燃焼開始時期を補正する補正手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記演算手段は、前記筒内圧検出手段によって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指数で累乗した値との積である制御パラメータに基づいて前記所定のタイミングにおける熱発生率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制御装置。
【請求項６】
前記演算手段は、所定の２点間における前記制御パラメータの差分に基づいて前記熱発生率を算出することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
燃料および空気の混合気を筒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、
（ａ）筒内圧力を検出するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積と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ステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）で算出した燃焼割合が目標値と一致するように筒内における燃焼開始時期を補正するステップとを含む内燃機関の制御方法。
【請求項８】
ステップ（ｂ）では、ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータに基づいて前記所定のタイミングにおける燃焼割合を算出することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の制御方法。
【請求項９】
前記所定のタイミングは、吸気弁開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、ステップ（ｂ）では、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制御パラメータの差分と、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制御パラメータ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方法。
【請求項１０】
燃料および空気の混合気を筒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、
（ａ）筒内圧力を検出するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて所定のタイミングにおける熱発生率を算出するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）で算出した熱発生率に基づいて筒内における燃焼開始時期を補正するステップとを含む内燃機関の制御方法。
【請求項１１】
ステップ（ｂ）では、ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータに基づいて前記所定のタイミングにおける熱発生率を算出することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の制御方法。
【請求項１２】
ステップ（ｂ）では、所定の２点間における前記制御パラメータの差分に基づいて前記熱発生率を算出することを特徴とする請求項１１に記載の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筒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内燃機関の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関は筒内における混合気の燃焼開始時期（火花点火時期または圧縮着火時期）が遅れると本来のトルクを発生せず、逆に、点火または着火時期を進角させ過ぎるとノッキングが発生してしまう。このため、内燃機関の筒内における燃焼開始時期は、回転数やスロットル開度等に応じて、ノッキングが発生しない範囲で大きなトルクが得られるように適切なタイミング（ＭＢＴ：Minimum advance for Best Torque）に設定されることが好ましい。このようなＭＢＴを得るための内燃機関の制御装置としては、筒内における燃焼割合に基づいて燃焼開始時期を進角または遅角させるものが知られている（特許文献１参照。）。この制御装置において、燃焼割合は、熱発生率に基づいて、あるいは、燃焼割合を求めたい所定のクランク角タイミングを含む３点以上における筒内圧力から求められる。
【０００３】
また、上述のＭＢＴは、ノッキングを発生させてしまう点火または着火時期の近傍にあることから、ノッキングが発生しないようにしながら燃焼開始時期をできる限り進角させることにより、燃焼開始時期をＭＢＴに近づけて内燃機関に大きなトルクを発生させることができる。このようなＭＢＴ制御を行う内燃機関の制御装置としては、ノッキングの発生によって筒内における熱発生率が一時的かつ急峻に上昇することに着目したものが知られている（特許文献２参照。）。この制御装置は、筒内圧検出手段によりサンプリングされた筒内圧力から熱発生率を求め、求めた熱発生率が最大となる時点から燃焼完了時までの領域における熱発生率の変化割合に基づいてノッキング寸前の状態にあるか否かを判定する。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１８９２８１号公報
【特許文献２】特開平２−２０４６６２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、上述のような従来の内燃機関の制御装置では、基本的に、筒内圧検出手段より検出された筒内圧を微小な単位クランク角ごとに処理することにより熱発生率が求められる。このため、従来の制御装置における演算負荷は多大なものとなっており、この点から、従来の制御装置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、従来の手法により、３点程度の筒内圧力に基づいて燃焼割合を求めたとしても、実用上満足し得る精度のＭＢＴ制御は達成され得ない。
【０００６】
そこで、本発明は、燃焼開始時期の高精度な制御を低負荷で簡易に実行可能とする実用的な内燃機関の制御装置および内燃機関の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】
【０００７】
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筒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、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と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積と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演算手段と、演算手段によって算出された燃焼割合が目標値と一致するように筒内における燃焼開始時期を補正する補正手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
この場合、演算手段は、筒内圧検出手段によって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指数で累乗した値との積である制御パラメータ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ものであると好ましい。
【０００９】
また、所定のタイミングは、吸気弁開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ており、演算手段は、第１のタイミングと第２のタイミングとの間における制御パラメータの差分と、第１のタイミングと所定のタイミングとの間における制御パラメータの差分とに基づいて燃焼割合を算出するものであると好ましい。
【００１０】
本発明による他の内燃機関の制御装置は、燃料および空気の混合気を筒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、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と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて所定のタイミングにおける熱発生率を算出する演算手段と、演算手段によって算出された熱発生率に基づいて筒内における燃焼開始時期を補正する補正手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
この場合、演算手段は、筒内圧検出手段によって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指数で累乗した値との積である制御パラメータに基づいて所定のタイミングにおける熱発生率を算出するものであると好ましい。
【００１２】
また、演算手段は、所定の２点間における制御パラメータの差分に基づいて熱発生率を算出するものであると好ましい。
【００１３】
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筒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、
（ａ）筒内圧力を検出するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積と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ステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）で算出した燃焼割合が目標値と一致するように筒内における燃焼開始時期を補正するステップとを含むものである。
【００１４】
この場合、ステップ（ｂ）では、ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータ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と好ましい。
【００１５】
また、所定のタイミングは、吸気弁開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ており、ステップ（ｂ）では、第１のタイミングと第２のタイミングとの間における制御パラメータの差分と、第１のタイミングと所定のタイミングとの間における制御パラメータの差分とに基づいて燃焼割合を算出すると好ましい。
【００１６】
本発明による他の内燃機関の制御方法は、燃料および空気の混合気を筒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、
（ａ）筒内圧力を検出するステップと、
（ｂ）ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積とに基づいて所定のタイミングにおける熱発生率を算出するステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）で算出した熱発生率に基づいて筒内における燃焼開始時期を補正するステップとを含むものである。
【００１７】
この場合、ステップ（ｂ）では、ステップ（ａ）で検出した筒内圧力と、当該筒内圧力の検出時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータに基づいて所定のタイミングにおける熱発生率を算出すると好ましい。
【００１８】
また、ステップ（ｂ）では、所定の２点間における制御パラメータの差分に基づいて熱発生率を算出すると好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃焼開始時期の高精度な制御を低負荷で簡易に実行可能とする実用的な内燃機関の制御装置および内燃機関の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】
【００２０】
本発明者らは、演算負荷の低減化を図りつつ、内燃機関の筒内における燃焼開始時期（ガソリンエンジンでは点火時期、ディーゼルエンジンでは着火時期）の高精度な制御を可能にするために鋭意研究を重ね、その結果、筒内圧検出手段によって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とに基づいて算出される制御パラメータに着目するに至った。より詳細には、本発明者らは、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）との積として得られる制御パラメータＰ（θ）・Ｖκ（θ）（以下、適宜「ＰＶκ」と記す）に着目した。そして、本発明者らは、まず、クランク角に対する内燃機関の筒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制御パラメータＰＶκの変化パターンとが、図１に示されるような相関を有していることを見出した。ただし、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。
【００２１】
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である制御パラメータ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（１）式に基づき、Ｑ＝∫ｄＱ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。
ｄＱ／ｄθ＝｛ｄＰ／ｄθ・Ｖ＋κ・Ｐ・ｄＶ／ｄθ｝／｛κ−１｝・・・（１）
【００２２】
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制御パラメータ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（点火時または着火時）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、制御パラメータ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。
【００２３】
本発明の一形態では、このような新たに見出された筒内における熱発生量Ｑと制御パラメータＰＶκとの相関を利用し、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から算出される制御パラメータ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、制御パラメータＰＶκに基づいて筒内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筒内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、制御パラメータ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。
【００２４】
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（２）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。
ＭＦＢ＝{Ｐ（θ）・Ｖκ（θ）−Ｐ（−１２０°）・Ｖκ（−１２０°）}／{Ｐ（１２０°）・Ｖκ（１２０°）−Ｐ（−１２０°）・Ｖκ（−１２０°）}×１００（％）
・・・（２）
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（１）式および次の（３）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。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
そして、本発明の一形態では、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とから算出される制御パラメータＰＶκに基づいて求められた燃焼割合が目標値と一致するように筒内における燃焼開始時期（火花点火時期または圧縮着火時期）が補正される。すなわち、最適な燃焼開始時期（ＭＢＴ）における燃焼割合は、実験的、経験的に求めることができるので、制御パラメータＰＶκに基づいて求められた燃焼割合が目標値と一致するように筒内における燃焼開始時期を補正することにより、筒内における燃焼開始時期を低負荷で簡易に最適化することが可能となり、ノッキングが発生しないようにしつつ内燃機関から大きなトルクを得ることができる。
【００２７】
また、燃焼開始時期の制御に際しては、吸気弁開弁後かつ燃焼開始前に設定されたクランク角＝θ１となる第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クランク角＝θ２となる第２のタイミングとの間の所定のタイミングにおける燃焼割合が算出されると好ましい。この場合、当該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制御パラメータ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制御パラメータ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つつ、筒内における燃焼開始時期を最適化することが可能となる。
【００２８】
本発明の他の形態では、上述の筒内における熱発生量Ｑと制御パラメータＰＶκとの相関を利用し、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から算出される制御パラメータＰＶκに基づいて熱発生率ｄ（ＰＶκ）が求められる。すなわち、制御パラメータＰＶκを用いれば、任意のタイミング（クランク角＝θとなるタイミング）における熱発生率は、所定の２点間（微小クランク角δ間）における制御パラメータＰＶκの差分として、すなわち、
ｄ（ＰＶκ）＝{Ｐ（θ＋δ）・Ｖκ（θ＋δ）−Ｐ（θ）・Ｖκ（θ）}／δ・・・(４)
として表される。
【００２９】
ここで、図３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ｄ（ＰＶκ）を筒内圧力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、δ＝１°（１ＣＡ）とした。また、図３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（１）式に従うと共に筒内圧力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。図３からわかるように、クランク角に対するｄ（ＰＶκ）の変化パターン（同図における実線参照）は、（１）式に基づいて求められる熱発生率のクランク角に対する変化パターン（同図における破線参照）とほぼ一致（相似）している。従って、制御パラメータＰＶκを用いれば、筒内における熱発生率を高負荷な演算処理を要することなく精度よく把握することができる。
【００３０】
そして、この形態では、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とから算出される制御パラメータＰＶκに基づいて求められた熱発生率としてのｄ（ＰＶκ）に基づいて、筒内における燃焼開始時期（火花点火時期または圧縮着火時期）が補正される。すなわち、大トルクを発生させるための最適な燃焼開始時期（ＭＢＴ）は、ノッキングを発生させてしまう点火または着火時期の近傍にあるが、ノッキングが発生すると、筒内における熱発生率が一時的かつ急峻に上昇した後、急激に低下する（燃焼が早期終了する）ことが知られている。従って、制御パラメータＰＶκに基づいて熱発生率としてのｄ（ＰＶκ）を求めると共に、ｄ（ＰＶκ）から把握されるノッキングの発生状態に応じて筒内における燃焼開始時期を補正することにより、筒内における燃焼開始時期を低負荷で簡易に最適化することが可能となり、ノッキングが発生しないようにしつつ内燃機関から大きなトルクを得ることができる。
【００３１】
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詳細に説明する。
【００３２】
図４は、本発明による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。なお、図１には１気筒のみが示されるが、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。
【００３３】
各燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールドを介して吸気管５にそれぞれ接続され、各燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールドを介して排気管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、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉと、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅとが燃焼室３ごとに配設されている。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）によって開閉させられる。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。
【００３４】
各吸気管５（吸気マニホールド）は、図１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Ｌ１が接続されており、給気ラインＬ１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Ｌ１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１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。
【００３５】
更に、内燃機関１は、図１に示されるように、複数のインジェクタ１２を有し、インジェクタ１２は、対応する吸気管５の内部（吸気ポート内）に臨むように配設されている。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。
【００３６】
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１に示されるように、内燃機関１のクランク角センサ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。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センサ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における筒内圧力を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ２０に与える。
【００３７】
次に、図５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。
【００３８】
内燃機関１が始動された後、アイドル状態からアイドルオフ状態に移行すると、図５に示されるように、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４からの信号に基づいて機関回転数を取得すると共に、吸入空気量に基づいて内燃機関１の負荷を取得する（Ｓ１０）。内燃機関１の回転数および負荷を取得すると、ＥＣＵ２０は、各燃焼室３における燃焼開始時期、すなわち、各点火プラグ７による点火時期の制御に必要となる筒内圧の検出タイミングを規定するクランク角θ１およびθ２を決定する。本実施形態では、筒内圧の検出タイミング（クランク角θ１およびθ２）を機関回転数および負荷に応じて規定するマップ（３次元マップ）が予め用意されており、ＥＣＵ２０は、このマップから、Ｓ１０で取得した内燃機関１の回転数および負荷に対応したクランク角θ１およびθ２を読み出す（Ｓ１２）。
【００３９】
当該マップにおいて、筒内圧の検出タイミングを規定する一方のクランク角θ１は、吸気弁開弁後かつ燃焼開始前（点火前）の値（例えば−６０°）として定められ、各燃焼室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い。また、当該マップにおいて、筒内圧の検出タイミングを規定する他方のクランク角θ２は、燃焼開始（点火）の後かつ排気弁開弁前の値（例えば９０°）として定められ、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い。
【００４０】
Ｓ１２の処理の後、ＥＣＵ２０は、点火制御用ベースマップに従って、各点火プラグ７による点火を実行させる（Ｓ１４）。また、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４からの信号に基づいて内燃機関１のクランク角をモニタしている。そして、Ｓ１４において各点火プラグ７に混合気の点火を実行させるのと前後して、ＥＣＵ２０は、クランク角＝θ１となる第１のタイミング、クランク角＝θ２となる第２のタイミング、更には、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なると、筒内圧センサ１５からの信号に基づいて、燃焼室３ごとに、クランク角がθ１，θ０およびθ２となる時の筒内圧力Ｐ（θ１），Ｐ（θ０）およびＰ（θ２）を求める。本実施形態において、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。なお、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における燃焼割合は容易に算出することができる。
【００４１】
Ｓ１４における点火制御および第２のタイミングにおける筒内圧力の検出が完了した時点で、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制御パラメータＰ（θ１）・Ｖκ（θ１）を燃焼室３ごとに算出している。また、この時点で、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制御パラメータ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制御パラメータＰ（θ２）・Ｖκ（θ２）を燃焼室３ごとに算出している。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マップとして記憶されている。
【００４２】
そして、ＥＣＵ２０は、クランク角がθ１，θ０およびθ２となる時の制御パラメータＰ（θ１）・Ｖκ（θ１），Ｐ（θ０）・Ｖκ（θ０）およびＰ（θ２）・Ｖκ（θ２）を用いて、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、
ＭＦＢ＝{Ｐ（θ０）・Ｖκ（θ０）−Ｐ（θ１）・Ｖκ（θ１）}／{Ｐ（θ２）・Ｖκ（θ２）−Ｐ（θ１）・Ｖκ（θ１）}×１００（％）
として算出する（Ｓ１６）。これにより、燃焼室３ごとに、クランク角がθ１，θ０およびθ２となる３点において検出された筒内圧力から精度よく燃焼割合ＭＦＢが求められることになる。本実施形態では、燃焼室３ごとに燃焼割合ＭＦＢが求められた後、全燃焼室３の燃焼割合ＭＦＢの平均値が算出される。
【００４３】
Ｓ１６にて燃焼割合ＭＦＢの平均値を算出すると、ＥＣＵ２０は、求めた燃焼割合ＭＦＢの平均値から５０を減じた値の絶対値｜ＭＦＢ−５０｜が所定の閾値ε（正の所定値）を下回っているか否か判定する（Ｓ１８）。すなわち、Ｓ１８では、Ｓ１６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の平均値と、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εを下回っているか否か、および、当該偏差が−εを上回っているか否かが判定される。
【００４４】
ここで、本実施形態の内燃機関１では、点火制御用ベースマップとして比較的ラフに適合されたものが用意されており、内燃機関１の稼動時間が比較的短い場合には、Ｓ１８の判定処理において、絶対値｜ＭＦＢ−５０｜が所定の閾値ε以上であると判断されることが多くなる。Ｓ１８にて、絶対値｜ＭＦＢ−５０｜が所定の閾値ε以上になっていると判断した場合、ＥＣＵ２０は、Ｓ１６にて算出された燃焼割合ＭＦＢの平均値と目標値（５０％）との偏差（ＭＦＢ−５０）に応じて、すなわち、偏差（ＭＦＢ−５０）がゼロになるように、各点火プラグ７による点火時期の補正量（進角量または遅角量）を算出する（Ｓ２０）。
【００４５】
Ｓ２０において、ＥＣＵ２０は、Ｓ１６にて算出された燃焼割合ＭＦＢの平均値と目標値との偏差（ＭＦＢ−５０）が負の値になっている場合、当該偏差（ＭＦＢ−５０）に応じた点火時期の進角量を設定し、偏差（ＭＦＢ−５０）が正の値になっている場合、当該偏差（ＭＦＢ−５０）に応じた点火時期の遅角量を設定する。これにより、制御パラメータＰＶκに基づいて求められた燃焼割合ＭＦＢ（平均値）が目標値と一致するように各点火プラグ７による点火時期（燃焼開始時期）が補正されることになるので、各点火プラグ７による点火時期を低負荷で簡易に最適化することが可能となり、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。
【００４６】
Ｓ２０の処理後、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０に戻り、Ｓ１０およびＳ１２における処理を実行した後、点火制御用ベースマップに従うと共に、Ｓ２０にて設定した点火時期の補正量を踏まえながら（加減算しながら）、各点火プラグ７に混合気の点火を実行させる（Ｓ１４）。また、ＥＣＵ２０は、Ｓ１４において各点火プラグ７に混合気の点火を実行させるのと前後して、クランク角がθ１，θ０およびθ２となるタイミングになると、筒内圧センサ１５からの信号に基づいて、燃焼室３ごとに、筒内圧力Ｐ（θ１），Ｐ（θ０）およびＰ（θ２）を求め、更に、クランク角がθ０となるタイミングにおける燃焼割合ＭＦＢ（平均値）を算出する（Ｓ１６）。
【００４７】
そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ１８にて、求めた燃焼割合ＭＦＢの平均値から５０を減じた値の絶対値｜ＭＦＢ−５０｜が所定の閾値ε（正の所定値）を下回っているか否か再度判定する。この段階で、絶対値｜ＭＦＢ−５０｜が所定の閾値ε以上になっていると判断した場合、ＥＣＵ２０は、Ｓ２０にて各点火プラグ７による点火時期の補正量を設定し、Ｓ１０以降の処理を繰り返す。
【００４８】
一方、Ｓ１８にて、絶対値｜ＭＦＢ−５０｜が所定の閾値εを下回っていると判断した場合、ＥＣＵ２０は、点火制御用ベースマップを更新するための所定の条件が満たされているか否か判定した上で（Ｓ２２）、各点火プラグ７による今回の点火前にＳ２０で設定された補正量に基づいて点火制御用ベースマップを更新する（Ｓ２４）。これにより、点火制御用ベースマップが初期状態において比較的ラフに適合されたものであっても、内燃機関１の稼動時間が長期化していくにつれて、当該点火制御用ベースマップは、内燃機関１の運転状態や周囲環境等に応じて更新されていくことになる。従って、内燃機関１では、点火制御用ベースマップの適合に要するコストを低減させることが可能となると共に、点火制御用ベースマップを用いた点火時期制御自体の精度を向上させていくことができる。
【００４９】
図６は、上述の内燃機関１において実行され得る他の点火時期制御手順（燃焼開始時期制御手順）を説明するためのフローチャートである。
【００５０】
図６に従って各点火プラグ７による点火時期が制御される場合、内燃機関１の始動後にアイドル状態からアイドルオフ状態に移行すると、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４からの信号に基づいて機関回転数を取得すると共に、吸入空気量に基づいて内燃機関１の負荷を取得する（Ｓ３０）。内燃機関１の回転数および負荷を取得すると、ＥＣＵ２０は、各燃焼室３における燃焼開始時期、すなわち、各点火プラグ７による点火時期の制御に必要となる筒内圧の検出タイミングを規定するクランク角θ１およびθ２と閾値γとを決定する。
【００５１】
この実施形態では、筒内圧の検出タイミング（クランク角θ１およびθ２）並びに閾値γを機関回転数および負荷に応じて規定するマップが予め用意されており、ＥＣＵ２０は、このマップから、Ｓ１０で取得した内燃機関１の回転数および負荷に対応したクランク角θ１およびθ２並びに閾値γを読み出す（Ｓ３２）。当該マップにおいて、筒内圧の検出タイミングを規定する一方のクランク角θ１は、実験的、経験的にノッキングが発生しやすい領域前の値（例えば１５°）として定められ、当該マップにおいて、筒内圧の検出タイミングを規定する他方のクランク角θ２は、実験的、経験的にノッキングが発生しやすい上記領域後の値（例えば２０°）として定められている。
【００５２】
Ｓ３２の処理の後、ＥＣＵ２０は、点火制御用ベースマップに従って、各点火プラグ７による点火を実行させる（Ｓ３４）。また、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４からの信号に基づいて内燃機関１のクランク角をモニタしており、クランク角がθ１となる第１のタイミングになると、その時の筒内圧力Ｐ（θ１）を求め、当該第１のタイミングから微小クランク角δ（δ＝１°〔１ＣＡ〕）だけ進んだタイミングになると、その時の筒内圧力Ｐ（θ１＋δ）を求める。その後、ＥＣＵ２０は、クランク角がθ２となる第２のタイミングになると、その時の筒内圧力Ｐ（θ２）を求め、当該第２のタイミングから微小クランク角δ（δ＝１°〔１ＣＡ〕）だけ進んだタイミングになると、その時の筒内圧力Ｐ（θ２＋δ）を求める。
【００５３】
このようにして検出される４点の筒内圧力Ｐ（θ１），Ｐ（θ１＋δ），Ｐ（θ２）およびＰ（θ２＋δ）から、ＥＣＵ２０は、クランク角がθ１となる第１のタイミングにおける熱発生率を示すｄ（ＰＶκ）１と、クランク角がθ２となる第２のタイミングにおける熱発生率を示すｄ（ＰＶκ）２とを燃焼室３ごとに求める。上述のように、制御パラメータＰＶκを用いれば、クランク角がθ１またはθ２となるタイミングにおける熱発生率は、所定の２点間（微小クランク角δ間）における制御パラメータＰＶκの差分として、すなわち、
ｄ（ＰＶκ）１＝{Ｐ（θ１＋δ）・Ｖκ（θ１＋δ）−Ｐ（θ１）・Ｖκ（θ１）}／δ
ｄ（ＰＶκ）２＝{Ｐ（θ２＋δ）・Ｖκ（θ２＋δ）−Ｐ（θ２）・Ｖκ（θ２）}／δ
として、高負荷な演算処理を要することなく精度よく求められる（ただし、本実施形態では、κ＝１．３２とされる）。なお、Ｖκ（θ１），Ｖκ（θ１＋δ），Ｖκ（θ２）およびＶκ（θ２＋δ）の値は、予め算出された上で記憶装置にマップとして記憶されている。
【００５４】
更に、ＥＣＵ２０は、クランク角がθ２となる第２のタイミングにおける熱発生率ｄ（ＰＶκ）２とクランク角がθ１となる第１のタイミングにおける熱発生率ｄ（ＰＶκ）１との偏差ΔｄＱを、
ΔｄＱ＝ｄ（ＰＶκ）２−ｄ（ＰＶκ）１
として燃焼室３ごとに算出すると共に、偏差ΔｄＱの全燃焼室３についての平均値ΔｄＱａｖを算出する。そして、ＥＣＵ２０は、Ｓ３６にて求めた偏差ΔｄＱの平均値ΔｄＱａｖとＳ３２にて読み出した閾値γとを比較する（Ｓ３８）。ここで、燃焼室３においてノッキングが発生すると、燃焼室３における熱発生率が一時的かつ急峻に上昇した後、急激に低下する（燃焼が早期終了する）ことが知られている。このような現象を考慮して、内燃機関１のＥＣＵ２０は、Ｓ１２で設定された第１のタイミング（クランク角＝θ１）と第２のタイミング（クランク角＝θ２）との間における熱発生率の変化量すなわち偏差ΔｄＱの平均値ΔｄＱａｖが所定の閾値γを上回った場合、燃焼室３においてノッキングが発生したと判断し、偏差ΔｄＱの平均値ΔｄＱａｖが所定の閾値γ以下である場合、燃焼室３においてノッキングが発生していないと判断する。
【００５５】
Ｓ３８において、偏差ΔｄＱの平均値ΔｄＱａｖが所定の閾値γ以下であり、燃焼室３においてノッキングが発生していないと判断した場合、ＥＣＵ２０は、Ｓ４０において、予め定められた点火時期の進角量、または、Ｓ３８にて算出された平均値ΔｄＱａｖに応じた各点火プラグ７による点火時期の進角量を設定する。これにより、各燃焼室３における燃焼開始時期、すなわち、各点火プラグ７による点火時期をノッキングが発生しやすい領域付近までできるだけ近づけることが可能となる。
【００５６】
このように、制御パラメータＰＶκに基づいて熱発生率を示すｄ（ＰＶκ）を求めると共に、熱発生率を示すｄ（ＰＶκ）の変化量（偏差ΔｄＱまたは平均値ΔｄＱａｖ）から把握されるノッキングの発生状態に応じて各点火プラグ７による点火時期（燃焼開始時期）を補正することにより、各点火プラグ７による点火時期を低負荷で簡易に最適化することが可能となり、ノッキングが発生しないようにしつつ内燃機関から大きなトルクを得ることができる。Ｓ４０の処理後、ＥＣＵ２０は、Ｓ３０に戻り、Ｓ３０およびＳ３２における処理を実行した後、点火制御用ベースマップに従うと共に、Ｓ４０にて設定した点火時期の進角量を踏まえながら（加減算しながら）、各点火プラグ７に混合気の点火を実行させる（Ｓ３４）。
【００５７】
一方、Ｓ３８において、偏差ΔｄＱの平均値ΔｄＱａｖが所定の閾値γを上回っており、燃焼室３においてノッキングが発生していないと判断した場合、ＥＣＵ２０は、図示されないカウンタを１だけインクリメントする（Ｓ４２）。その後、ＥＣＵ２０は、当該カウンタのカウント値が予め定められている閾値を超えているか否か判定する（Ｓ４４）。ＥＣＵ２０は、Ｓ４４にてカウンタのカウント値が予め定められている閾値を超えたと判断した場合、すなわち、ノッキングの発生回数が当該閾値を超えたと判断した場合、予め定められた点火時期の遅角量を設定すると共に、カウンタをリセットする（Ｓ４６）。これにより、各点火プラグ７による点火時期を過剰に進角させてしまうことを防止して、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。Ｓ４６の処理後、ＥＣＵ２０は、Ｓ３０に戻り、Ｓ３０以降の一連の処理を繰り返す。また、ＥＣＵ２０は、Ｓ４４にてカウンタのカウント値が予め定められている閾値を超えていないと判断した場合、すなわち、ノッキングの発生回数が当該閾値を超えていないと判断した場合、Ｓ４０にて、点火時期の進角量を設定する。これにより、ノッキングの発生が許容範囲内にある場合は、各点火プラグ７による点火時期を更に進角させて、内燃機関から大きなトルクを得ることができる。
【００５８】
なお、図６に示された例では、Ｓ３６にて第１のタイミング（クランク角＝θ１）と第２のタイミング（クランク角＝θ２）との間における熱発生率を示すｄ（ＰＶκ）の偏差ΔｄＱを求め、Ｓ３８にて、偏差ΔｄＱの平均値ΔｄＱａｖと所定の閾値γとを比較することにより、ノッキングの発生の有無を判断しているが、これに限られるものではない。すなわち、ノッキングの発生の有無は、所定のタイミング（１点）における熱発生率を示すｄ（ＰＶκ）と所定の閾値とを比較することによっても判断することが可能であり、ある１点における熱発生率を示すｄ（ＰＶκ）が所定の閾値を上回った場合に、ノッキングが発生したと判断してもよい。また、Ｓ４６では、点火時期の遅角量が設定される代わりに、点火時期が例えば前回または前々回の値に保持されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明において用いられる制御パラメータ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】制御パラメータ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】制御パラメータＰＶκに基づいて求められる熱発生率と、理論式に従って求められる熱発生率との相関を示すグラフである。
【図４】本発明による内燃機関を示す概略構成図である。
【図５】図４の内燃機関における点火時期の制御手順の一例を説明するためのフローチャートである。
【図６】図４の内燃機関における点火時期の制御手順の他の例を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
１  内燃機関
３  燃焼室
４  ピストン
７  点火プラグ
１２  インジェクタ
１４  クランク角センサ
１５  筒内圧センサ
Ｖｅ  排気弁
Ｖｉ  吸気弁
【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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