JP2012193655A - エンジンの点火時期設定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な推定エンジン負荷に基づいてノッキング発生負荷域を回避した適切な点火時期を設定する。
【解決手段】クランク角度に対応するクランクパルスを発生するパルス発生器ＰＣを備え、 クランク角速度変動量算出部４１２は、クランクパルス間隔に基づいてクランク角速度変動量Δωを算出する。エンジン負荷推定部４１３はクランク角速度変動量Δωから図示平均有効圧力ＩＭＥＰを推定する。点火時期決定部４１４は、推定された図示平均有効圧力ＩＭＥＰとエンジン温度やエンジン回転速度に応じて点火進角量を決定する点火時期制御マップを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、点火時期設定装置に係り、特に、ノッキング発生限界を精度よく見極め、ノッキングの発生を回避しつつより高いエンジン効率を維持する進角量に点火時期を設定することができるエンジンの点火時期設定装置に関する。

輸送機器用ガソリンエンジンは、燃費改善、排気エミッション低減等を図るため、常に最適な点火時期で運転されることが望ましい。この場合、熱効率の向上を狙って圧縮比を増大させるとノッキングの発生が問題となる。最近の自動車用エンジンでは、ノックセンサを各気筒に配備してノッキング発生を回避する緻密な点火時期制御を行っている。しかしながら、そのようなセンシングシステムは高価なため、広く一般的に輸送機器用ガソリンエンジンに採用することはできなかった。

特許文献１には、クランク軸の回転変動からエンジンの負荷を検出し、この検出された負荷に応じて点火時期を進角または遅角させる技術を含むエンジンの負荷検出装置が提案されている。この負荷検出装置では、吸入空気量の大きさを負荷の大きさとして捉えている。具体的には、この吸入空気量の大きさは、吸気管負圧センサやスロットル開度センサを用いることなく、クランク軸の回転変動によって求めている。この技術によれば、高価なセンシングシステムによらず、負荷が減少した際には、負荷に応じたノッキング発生限界まで点火時期を進めることができるので、適正な点火時期でエンジンを運転することが期待できる。

特開平４−６０１５１号公報

しかしながら、空燃比や点火時期の違いによって、エンジンの負荷が吸入空気量と比例しなくなる場合がある。したがって、エンジン負荷を吸入空気量との相関で見た場合、特許文献１に記載されている負荷検出装置では、ノッキング発生限界を精度よく見極め、さらに点火時期を進角させることは困難であるという課題があった。

本発明の目的は、ノッキング発生領域を精度よく見極めて該ノッキング領域を回避しつつ適正な点火時期を設定することができるエンジンの点火時期設定装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、エンジンのクランク角度に対応するクランクパルスを発生するパルス発生器と、前記クランクパルス間隔に基づいてクランク角速度変動量を算出するクランク角速度変動量算出手段と、前記クランク角速度変動量から図示平均有効圧力を推定するエンジン負荷推定手段と、前記推定された図示平均有効圧力とエンジンの状態とに応じて点火進角量を決定する点火時期決定手段とを備えている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、エンジン温度検出手段を備えており、前記点火時期決定手段が、前記エンジンの状態としてのエンジン回転数と前記推定された図示平均有効圧力をもとに点火時期を検索するため、エンジン温度毎に設定された点火時期制御マップを有し、前記エンジン温度検出手段で検出されたエンジン温度を入力されて前記エンジン温度毎に設定されたマップから一つを選択するように構成されている点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記クランク角速度変動量算出手段が、エンジンの圧縮上死点近傍のクランクパルスに基づいて第１クランク角速度を算出するとともに、エンジンの膨張下死点近傍のクランクパルスに基づいて第２のクランク角速度を算出し、前記第２クランク角速度から前記第１クランク角速度を減じてクランク角速度変動量を算出するように構成されている点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記エンジン負荷推定手段が、圧縮行程から膨張行程で発生する正の図示仕事のみを扱う図示平均有効圧力をエンジン負荷として推定する手段である点に第４の特徴がある。

また、本発明は、前記パルス発生器が、クランク軸と同期回転するロータから外周方向に突出したリラクタを検出してクランクパルスを発生するものであり、前記クランク角速度変動量算出手段が、エンジンの圧縮上死点近傍のクランクパルスに基づいて第１クランク角速度を算出するとともに、第１クランク角速度を算出するのに使用したリラクタに関して出力されたクランクパルスに基づいてオーバラップトップ上死点近傍の第２クランク角速度を算出し、前記第２クランク角速度から前記第１クランク角速度を減じてクランク角速度変動量を算出するように構成されている点に第５の特徴がある。

また、本発明は、前記エンジン負荷推定手段が、１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力をエンジン負荷として推定する手段である点に第６の特徴がある。

さらに、本発明は、前記点火時期制御マップが、推定された図示平均有効圧力を予め設定された全負荷時の図示平均有効圧力で除したエンジン負荷率とエンジン回転速度から点火時期を検索するように設定されている点に第７の特徴がある。

第１〜第７の特徴を有する本発明によれば、クランク角速度変動量からエンジン負荷としての図示平均有効圧力を推定し、この推定された図示平均有効圧力によって精度よく負荷を推定して点火時期を決定できるので、ノッキング発生負荷域を回避しつつ適正な点火時期を設定することができる。

第２の特徴を有する本発明によれば、エンジン回転速度と推定されたエンジン負荷とによって点火時期を決定する点火時期制御マップを複数設定しているので、ノッキング発生負荷域をより一層正確に判定することができる。

第５の特徴を有する本発明によれば、量産公差範囲でリラクタの幅や配置間隔がばらついている場合でも、バラツキによる負荷推定精度が低下するのを防止して適切な点火時期を設定することができる。

第７の特徴を有する本発明によれば、無次元化した負荷率を使用することによって、エンジン回転速度により図示平均有効圧力との比例定数が変化することに対応して、点火時期を適切に設定することができる。

本発明の一実施形態に係る点火時期設定装置を含むエンジン制御装置のシステム構成を示すブロック図である。 複数のリラクタを有するクランクパルサロータの一例を示す正面図である。 エンジン低温時におけるノッキング発生負荷域をエンジン回転速度と負荷を表す図示トルクとの関係で示す図である。 エンジン高温時におけるノッキング発生負荷域をエンジン回転速度と負荷を表す図示トルクとの関係で示す図である。 従来の点火時期検索マップの例を示す図である。 大気条件毎の図示平均有効圧力とノッキング発生負荷域との関係を示す図である。 １サイクルにおけるクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示したタイムチャートである。 単一のリラクタに関するクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートである。 複数のリラクタに関するクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートである。 単一のリラクタに関するクランクパルスが、圧縮上死点とオーバラップトップ上死点を跨ぐ位置で出力されるように設定した例におけるクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートである。 空燃比をパラメータとしたクランク角速度変化量と１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力との相関関係の実験結果を示す図である。 エンジン潤滑油温度をパラメータとしたクランク角速度変化量と１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力との相関関係の実験結果を示す図である。 点火時期決定部に設けられる点火時期検索マップの一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る点火時期設定装置を含むエンジン制御装置のシステム構成を示すブロック図である。

図１を参照して、４サイクル単気筒エンジン５のシリンダ１０の上部には、シリンダヘッド８が取り付けられる。エンジン５は、可変バルブタイミング（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）機構を有することができる。ＶＶＴ機構は、ＥＣＵ５０の駆動指令に基づいて図示しない制御モータを動かし、これにより、吸気バルブＩＶおよび排気バルブＥＶのバルブタイミングを変更する。バルブタイミングの変更に伴って、バルブリフト量も変化する。ＶＶＴ機構によるバルブタイミングの可変状態は、制御モータの回転角等を検知するセンサ１９によってＥＣＵ５０に伝達される。

エンジン５のクランク軸１にはクランクパルサロータ２が取り付けられる。クランクパルサロータ２は、クランク軸１と同期回転するロータ３、および該ロータ３から外周方向に突出したリラクタ４からなる。リラクタ４は、ロータ３の周方向において所定の角度範囲に亘る幅Ｂ（例えば、３０°）を有している。ロータ３の外周に対向させて磁気ピックアップ式のパルス発生器ＰＣが設けられる。パルス発生器ＰＣはリラクタ４がある位置ではオン信号を出力し、リラクタ４がない位置ではオフ信号を出力する。つまり、リラクタ４の回転方向前端がパルス発生器ＰＣのオン信号によって検知され、後端がオフ信号によって検知される。検知信号つまりクランクパルスはＥＣＵ５０に入力される。クランクパルサロータ２は、リラクタ４が上死点近傍に位置するようにクランク軸１に位置決めして取り付けられる。

なお、クランクパルサロータ２として、複数のリラクタを有するものを用いることもできる。図２は複数のリラクタを有するクランクパルサロータの正面図である。図２において、クランク軸１と同期回転するクランクパルサロータ２ａが取り付けられる。ロータ３ａの外周には、複数のリラクタ４ａが、１箇所の歯欠け部（リラクタ４ａが無い部分）Ｈを除いて等間隔（例えば３０°間隔）で配置される。パルス発生器ＰＣはリラクタ４ａの前端および後端の検知信号をＥＣＵ５０に入力する。図２に示すクランクパルサロータ２ａを使用する場合は、パルス発生器ＰＣで検知される前端および後端に対応して出力されるクランクパルスの一方のみを使用するので、図１に示したリラクタ４の幅Ｂと比べて図２のリラクタ４ａの幅Ｂ１は小さくてよい。

図１に戻って、吸気管１１の一端部には、吸気を濾過するエアクリーナボックス１６が取り付けられる。エアクリーナボックス１６の内部には、吸気温度センサ１７および大気圧センサ１８が設けられる。また、吸気管１１には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１５、スロットルバルブ１３の回転角度を検知するスロットルバルブ開度センサ１４、吸気圧力を検知する吸気圧センサ２０が取り付けられる。

さらに、シリンダ１０にはエンジン５の温度を検出する温度センサ２１が設けられ、燃焼室の上部には点火装置９が設けられる。スロットルバルブ１３の下流側の吸気管１１には燃料噴射弁１２が配設される。排気管６には、酸素濃度センサ７が取り付けられる。点火装置９には、例えば、圧電素子タイプの筒内圧センサを設けることができる。

ＥＣＵ５０は、点火制御部４１と点火装置駆動部３９とを備える。点火制御部４１は、角速度算出部４１１、角速度変動量算出部４１２、エンジン負荷推定部４１３、および点火時期決定部４１４からなる。角速度算出部４１１は、入力される前記パルス発生器ＰＣの検知信号がオンとなっている時間の長さに基づいて、エンジン５の圧縮上死点における第１クランク角速度ω１０と、圧縮上死点からクランク軸１が３６０°回転（つまり１回転）した位置、すなわちオーバラップトップ上死点における第２クランク角速度ω２０を算出する。

角速度変動量算出部４１２は、第１クランク角速度ω１０と第２クランク角速度ω２０との差つまりクランク角速度変動量Δω_３６０を算出する。エンジン負荷推定部４１３は、クランク角速度変動量Δω_３６０に基づいて図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴを推定する。

点火時期決定部４１４は、推定された図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとエンジンの状態、少なくとも、エンジン回転数およびエンジン温度をパラメータとしたマップを検索して点火時期（進角量）を決定する。決定した点火時期は点火装置駆動部３９に入力され、点火装置駆動部３９は入力された点火時期の指示に従った点火時期で点火装置９に点火信号を供給する。

これら点火制御部４１および点火装置駆動部３９は、マイクロコンピュータのプログラムによって実現でき、ＥＣＵ５０は、そのプログラムを実行するマイクロコンピュータを有する。このように、ＥＣＵ５０はクランク角速度変動量Δω_３６０に基づいて点火時期を制御し、エンジンの回転変動を抑制する制御を行う機能を有する。

点火時期が負荷に基づいて決定できる理由を説明する。図３および図４は、ノッキング発生負荷域をエンジン回転速度Ｎｅと負荷を表す図示トルクとの関係で示す図である。これは点火時期として最適点火時期（ＭＢＴ）を指示した場合のものである。図３は始動直後等、エンジンが比較的低温時の関係であり、図４はエンジンが比較的高温である場合の例を示す。

図３に見られるように、エンジンが低温の時は、エンジン回転速度Ｎｅが低い場合でも、ノッキング発生負荷域は図示トルクが全負荷近くの狭い領域に留まっており、全体にノッキングは発生しにくい状態といえる。一方、図４に見られるように、エンジンの高温時にはエンジン回転速度Ｎｅが低い場合は、ノッキング発生域は図示トルクが全負荷の半分程度の領域にまで拡がっており、高温時は低回転速度かつ低負荷の場合でもノッキングが起こりやすいことが分かる。このことから、負荷とエンジン温度とを検出する手段があれば、ノッキング発生負荷域は推測可能であり、このノッキング発生負荷域を回避するための点火時期を決定することもできる。なお、負荷を示す図示トルクは、排気量に関係なく一般化すると図示平均有効圧力となる。

従来、負荷を検出する手段として、体積効率と関係するスロットル開度Ｔｈを用いる方法が採られている。図５は、従来の点火時期検索マップの例を示す図である。この従来技術のマップは、スロットル開度Ｔｈを用い、エンジン回転速度Ｎｅとスロットル開度Ｔｈとをパラメータとして点火時期（進角量）ＩＧを決定するように設定される。この図から理解できるように、同じエンジン回転速度においては、負荷としてのスロットル開度Ｔｈが大きくなるほど大きい進角量を与えることができる。

しかし、スロットル開度Ｔｈによって負荷を代表させると次の点で不具合がある。スロットル開度Ｔｈは体積効率と関係するが、実際にエンジンに吸入される空気質量は空気密度で変化するため、同一スロットル開度Ｔｈであっても、大気条件（気温、気圧、湿度等）によって図示平均有効圧力が変化する。

図６は、大気条件毎の図示平均有効圧力とノッキング発生負荷域との関係を示す図であり、ラインＭＢＴはエンジン回転速度およびエンジン温度一定の場合の最適点火時期である。図６に示したとおり、スロットル開度Ｔｈが１００％（全開）という同一条件の場合であっても、高気圧、低気温の大気条件（Ａ）での図示平均有効圧力ＩＭＥＰ（ａ）より、低気圧、高気温の大気条件（Ｂ）における図示平均有効圧力ＩＭＥＰ（ｂ）の方が低い。

このように、スロットル全開時に図示平均有効圧力ＩＭＥＰ（ｂ）となる大気圧条件（Ｂ）のもとでは、最適点火時期ＭＢＴの近くまで進角した点火時期を与えても、ノッキング発生負荷域を実質的に回避できる。点火時期はノッキング発生負荷域を回避しつつ最適点火時期ＭＢＴに沿ってラインＬのように設定されるのが望ましい。このように点火時期を設定した場合、図示平均有効圧力ＩＭＥＰ（ａ）、（ｂ）に対して、それぞれ点火時期ＩＧａ、ＩＧｂが取得される。つまり、図示平均有効圧力ＩＭＥＰ（ａ）、（ｂ）で示される大気条件毎の負荷状態に応じた進角量を選択することができる。

しかし、従来技術では、負荷をスロットル開度Ｔｈで推定しているので、スロットル開度Ｔｈが同一であれば点火時期ＩＧは固定される。例えば、大気条件（Ａ）の場合、点火時期ＩＧはノッキング発生負荷域を回避してＩＧａが与えられ、この点火時期ＩＧａはスロットル開度Ｔｈが変化しない限り大気条件（Ｂ）に変化した場合でも維持される。

しかし、大気条件（Ｂ）においては、図示平均有効圧力ＩＭＥＰ（ｂ）で示されるように事実上の負荷は低下しており、点火時期ＩＧを点火時期ＩＧｂまで進角できる余地が残っている。点火時期ＩＧａは点火時期ＩＧｂと比べて大幅な遅角制御となるので燃焼効率を損なうことになる。

このことから、図示平均有効圧力ＩＭＥＰに応じて点火時期を決定することができれば大気条件の影響を受けないので、スロットル開度Ｔｈに応じた点火時期制御に比べてノッキング発生を回避しつつ、より最適点火時期ＭＢＴに近い点火時期ＩＧで点火制御を行うことができることが分かる。

次に、クランク角速度の変化量と図示平均有効圧力ＩＭＥＰとの関係を説明する。図７は、１サイクルにおけるクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示したタイムチャートである。

図７において、クランク軸１の角速度ωは、クランク軸の変動トルクに起因して、平均回転速度Ｎｅを中心にエンジンの１サイクルすなわち圧縮、膨張、排気、および吸気の４行程によって周期的に変動する。最小角速度ω０は圧縮上死点ＴＤＣ近傍で現れ、最大角速度ω１は膨張行程の終了時つまり排気上死点ＢＤＣ近傍（クランク角１５０〜１８０°）で現れる。

具体的には、圧縮行程では、シリンダ内圧の上昇による圧縮抵抗に起因してクランク角速度ωの減少が生じる。一方、膨張行程では、燃焼によるシリンダ内圧の上昇によってクランク回転エネルギが発生し、これに起因してクランク角速度ωは増加に転ずる。圧縮行程で最小値ω０まで低減したクランク角速度ωは、膨張行程の終了間際に最大クランク角速度ω１に到達する。その後、エンジン内の機械的な摩擦抵抗、排気行程における既燃ガスの排出抵抗、吸気行程における吸入抵抗等のポンプ仕事によりクランク角度ωは低下を続けて、再び吸気行程・圧縮行程に至る。

このようなクランク角速度ωの変動によれば、圧縮上死点ＴＤＣの近傍で検知される最小クランク角速度ω０は、平均エンジン回転速度Ｎｅより小さくなる。一方、膨張行程終了間際（膨張下死点ＢＤＣ）で検知される最大クランク角速度ω１は、平均エンジン回転速度Ｎｅより大きくなる。最小クランク角速度ω０と最大クランク角速度ω１との差Δωは、次に述べるように、エンジン５に対する負荷を代表する。

膨張行程における回転エネルギの上昇量ΔＥ（ジュール）は次式１で求められる。ΔＥ＝１／２×Ｉｅ×（ω１^２−ω０^２）……式１。ここで、Ｉｅはクランク軸系慣性モーメント（ｋｇ・ｍ^２）である。

このエネルギ上昇量ΔＥはエンジンの燃焼による仕事とすると、次式２でも求められる。ΔＥ＝ＩＭＥＰ×Ｖｓ……式２。ここで、ＩＭＥＰは図示平均有効圧力、Ｖｓはエンジンの排気量である。

また、式１の右辺は次式３に変換できる。１／２×（ω１^２−ω０^２）＝（ω１−ω０）×１／２×（ω１＋ω０）……式３。

膨張行程区間のクランク角速度の変化量Δωは（ω１−ω０）で定義する。また、式３の右辺はサイクル平均の角速度ω、すなわち回転速度Ｎｅとおおむね一致するので、次式４で近似できる。１／２×（ω１＋ω０）＝Ｎｅ……式４。エンジン回転速度の単位はｒａｄ／ｓｅｃである。

式１〜式４より、クランク角速度の変化量Δωは、次式５で示される。Δω＝（ＩＭＥＰ×Ｖｓ）／（Ｉｅ×Ｎｅ）……式５。すなわち、クランク角速度Δωは図示平均有効圧力ＩＭＥＰおよび排気量Ｖｓに比例し、エンジンの回転速度Ｎｅとクランク軸系慣性モーメントに反比例する。

前記点火制御部４１のエンジン負荷推定部４１３は、式５によってクランク角速度の変化量Δωから負荷を代表する図示平均有効圧力ＩＭＥＰを算出する機能を有する。

このように、エンジンの負荷つまりエネルギ上昇量ΔＥはクランク角速度の変化量Δωで代表されるが、リラクタの加工精度やパルス発生器ＰＣの取り付け精度など、実機の計測におけるさまざまなバラツキ要素がある。そこで、このバラツキ要素の影響を排除するため、同一リラクタを用いてクランク角速度の変化量Δωを求める。

すなわち、最小クランク角速度ω０は圧縮上死点ＴＤＣ近傍で検出した第１クランク角速度ω１０で代える一方、最大クランク角度ω１は、圧縮上死点ＴＤＣからクランク軸が３６０°回転した位置であるオーバラップトップ上死点ＯＬＰ近傍で検出した第２クランク角速度ω２０で代える。これによって、クランク角速度の変化量Δωを、第１クランク角速度ω１０から第２クランク角速度ω２０への増分、つまり膨張行程および排気行程に亘るクランク角３６０°でのクランク角速度変化量Δω_３６０で定義する。

図８は単一のリラクタ４を有するクランクパルスロータ２のクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートである。クランク角速度ωは膨張行程の開始位置つまり圧縮上死点ＴＤＣ近傍で最小値ω０となり、膨張行程の終了間際（おおよそＴＤＣから１５０°の位置）で最大値ω１となる。そして、クランク角速度ωは排気行程で徐々に低減し、さらに吸気行程に入った直後に急激に低減する。その後、圧縮行程の中間部までクランク角速度ωはエンジンの平均回転速度より低い値でほぼ維持され、圧縮行程の後半から最小値ω０に向かって低減する。

図８に示した例では、リラクタ４の前端および後端を検知してパルス発生器ＰＣから出力されるクランクパルスのうち、後端に対応するクランクパルスが、圧縮上死点ＴＤＣの直前（例えば、１０°手前）に対応するようにクランクパルスロータ２の位置を設定してある。したがって、クランクパルスは、圧縮上死点ＴＤＣの直前で発生され、エンジンの１回転後つまりオーバラップトップ上死点ＯＬＰの直前でも発生されることになる。そして、各位置でのクランクパルスの幅をその位置でのクランク角速度ωつまり第１クランク角速度ω１０および第２のクランク角速度ω２０として検出し、これらの増分Δω_３６０がクランク角度変化量として算出される。

一方、図８には、１枚のリラクタ４に対応するクランクパルスと併せて、図２に示した複数のリラクタ４ａを有するクランクパルスロータ２ａのクランクパルスを使用した従来のクランク角速度検出位置を示す。従来は、クランクパルスロータ２ａを用いて、圧縮上死点ＴＤＣをまたぐ２つのクランクパルスと圧縮上死点ＴＤＣから１５０°の位置における２つのクランクパルスに基づいて最小クランク角速度ω０と最大クランク角速度ω１とによりクランク角速度変化量Δωを求めている。すなわち、それぞれ異なるリラクタによるクランクパルスを使用している。

図９は複数のリラクタ４ａを有するクランクパルスロータ２ａのクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートである。図９において、複数のリラクタ４ａのうち、圧縮上死点ＴＤＣの直前およびオーバラップトップ上死点ＯＬＴ直前の位置で得られる２つのリラクタ４ａからのクランクパルスをそれぞれ用いて、第１クランク速度ω１０および第２クランク角速度ω２０を求める。

この例では、複数のリラクタ４ａのうち２つを、第１クランク角速度ω１０および第２クランク角速度ω２０の検出に共通に使用するので、単一のリラクタ４を有するクランクパルスロータ２を用いる場合と同様、量産公差範囲内の寸法バラツキの影響を排除できる。

なお、圧縮上死点ＴＤＣの近傍やオーバラップトップ上死点ＯＬＴの近傍でクランク角速度ω１０、ω２０を求める場合、２つのクランクパルスが圧縮上死点ＴＤＣやオーバラップトップ上死点ＯＬＴを跨ぐようにクランクパルスロータ２ａの位置を設定しても良い。

図１０は、１サイクルにおけるクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートであり、２つのクランクパルスが圧縮上死点ＴＤＣやオーバラップトップ上死点ＯＬＴを跨ぐようにクランクパルスロータ２の位置を設定した例を示す図である。図１０に示した例では、第１クランク角速度ω１０は最小クランク角速度ω０とほぼ同一値である。

なお、排気行程から吸気行程に移行した直後のクランク角速度ωの急激な低下を考慮すれば、圧縮上死点ＴＤＣの直後よりも直前やオーバラップトップ上死点ＯＬＴの直後よりも直前でクランク角速度ωを求めるのが好ましい。

また、クランク角速度の変化量Δωは図示平均有効圧力ＩＭＥＰに比例するが、一般的に図示平均有効圧力ＩＭＥＰは圧縮から膨張行程区間で定義される燃焼による正の仕事のみと相関がある。正の仕事のみと相関する図示平均有効圧力を図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_{ＧＲＯＳＳ}とすると、同一リラクタを用いる場合、角速度変化量Δω_３６０は膨張行程だけでなくエンジンの１サイクル中の仕事を考慮した図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴと比例していると考えられる。そこで、本発明者等は、エンジンの１サイクルにおける角速度の変化量Δω_３６０と、１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相関関係を実験調査した。

図１１は、空燃比Ａ／Ｆをパラメータとしたクランク角速度変化量Δω_３６０と、１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相関関係の実験結果を示す図である。なお、エンジンは一定速度で回転させた場合である。

図１２は、エンジン潤滑油温度をパラメータとしたクランク角速度変化量Δω_３６０と、１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相関関係の実験結果を示す図である。なお、エンジンは一定速度で回転させた場合である。

図１１、図１２に示した実験結果から理解できるように、１サイクルのクランク角度変化量Δω_３６０と図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相互関係は、空燃比Ａ／Ｆやエンジン潤滑油温度に関わらず、一定であることが確かめられている。このことから、クランク角速度変化量Δω_３６０は吸入空気量やエンジン潤滑温度に依存せず図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相関を有することが確認された。

したがって、第１クランク角速度ω１０と第２クランク角速度ω２０との差分つまりクランク角速度変化量Δω_３６０によって取得できる図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴによってエンジンの負荷を推定できる。

図１３は、点火時期決定部４１４に設けられる点火時期検索マップの一例を示す図である。マップはエンジン温度毎に設けられる。この例では、エンジンの低温度域、中温度域、および高温度域の３種類のマップＭ（Ａ）、Ｍ（Ｂ）、Ｍ（Ｃ）を設けているが、この温度区分の区分数は任意に設定できる。各マップは、エンジン回転数Ｎｅと負荷（負荷を示す図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴ）とから点火時期ＩＧを求めるように設定する。なお、負荷と図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの比例定数がエンジン回転数Ｎｅ毎に異なることから、図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴをその最大値つまり全負荷条件時の値ＩＭＥＰ_ｍａｘで除することで無次元化した負荷率ＬＲとして定義している。

各マップは、負荷率ＬＲが「１．０」から小さい値になるほど、同一エンジン回転速度Ｎｅにおける負荷率ＬＲに対応する点火時期ＩＧが進角側に変化するように設定される。

上述のように、本実施形態によれば、クランク角速度変動量Δωに基づいて負荷と相関がある図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴを取得し、この図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴに基づく点火時期を決定するようにしたので、ノッキング発生負荷域を正確に見極めて点火時期をより進角側に設定することができる。

なお、本発明は同一リラクタを用いる場合に好都合な１サイクル全体の仕事を扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴによって負荷を推定するようにしたが、正の仕事のみを扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_{ＧＲＯＳＳ}によって負荷を推定する場合にも同様に適用することができる。

１…クランク軸、 ２…クランクパルサロータ、 ３…ロータ、 ４…リラクタ、 ５…エンジン、 ６…燃料噴射弁、 ９…点火装置、 ３９…点火装置駆動部、 ４１…点火制御部、 ４１２…角速度変動量算出部、 ４１３…エンジン負荷推定部、 ４１４…点火時期決定部

Claims (7)

1. エンジン（５）のクランク角度に対応するクランクパルスを発生するパルス発生器（ＰＣ）と、
   前記クランクパルス間隔に基づいてクランク角速度変動量（Δω）を算出するクランク角速度変動量算出手段（４１２）と、
   前記クランク角速度変動量（Δω）から図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）を推定するエンジン負荷推定手段（４１３）と、
   前記推定された図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）とエンジンの状態とに応じて点火進角量を決定する点火時期決定手段（４１４）とを備えていることを特徴とする点火時期設定装置。
2. エンジン温度検出手段（２１）を備えており、
   前記点火時期決定手段（４１４）が、前記エンジンの状態としてのエンジン回転数（Ｎｅ）と前記推定された図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）をもとに点火時期を検索するため、エンジン温度毎に設定された点火時期制御マップを有し、
   前記エンジン温度検出手段（２１）で検出されたエンジン温度を入力されて前記エンジン温度毎に設定されたマップから一つを選択するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の点火時期設定装置。
3. 前記クランク角速度変動量算出手段（４１２）が、エンジン（５）の圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍のクランクパルスに基づいて第１クランク角速度（ω１）を算出するとともに、エンジンの膨張下死点（ＢＤＣ）近傍のクランクパルスに基づいて第２のクランク角速度（ω２）を算出し、前記第２クランク角速度（ω２）から前記第１クランク角速度（ω１）を減じてクランク角速度変動量（Δω）を算出するように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の点火時期設定装置。
4. 前記エンジン負荷推定手段（４１３）が、圧縮行程から膨張行程で発生する正の図示仕事のみを扱う図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ_{ＧＲＯＳＳ}）をエンジン負荷として推定する手段であることを特徴とする請求項３記載の点火時期設定装置。
5. 前記パルス発生器（ＰＣ）が、クランク軸（１）と同期回転するロータから外周方向に突出したリラクタ（４）を検出してクランクパルスを発生するものであり、
   前記クランク角速度変動量算出手段（４１２）が、エンジン（５）の圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍のクランクパルスに基づいて第１クランク角速度（ω１０）を算出するとともに、
   第１クランク角速度（ω１）を算出するのに使用したリラクタ（４）に関して出力されたクランクパルスに基づいてオーバラップトップ上死点近傍の第２クランク角速度（ω２０）を算出し、前記第２クランク角速度（ω２０）から前記第１クランク角速度（ω１０）を減じてクランク角速度変動量（Δω）を算出するように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の点火時期設定装置。
6. 前記エンジン負荷推定手段（４１３）が、１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ_ＮＥＴ）をエンジン負荷として推定する手段であることを特徴とする請求項５記載の点火時期設定装置。
7. 前記点火時期制御マップが、推定された図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ_ＮＥＴ）を予め設定された全負荷時の図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ_ｍａｘ）で除したエンジン負荷率（ＬＲ）とエンジン回転速度（Ｎｅ）から点火時期を検索するように設定されていることを特徴とする請求項２記載の点火時期設定装置。