JP4182914B2 - 内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノックを発生しないように点火時期を制御する内燃機関の点火時期制御装置に関するものである。

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(Minimmum Spark Advance for Best Torque；以下「ＭＢＴ」と略す)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に膨大な予備実験を要する。

また、従来は、ノックをセンサによって検出したら、それをフィードバックして点火時期を遅らせている。しかし、この方法では実際に発生したノックを検出してからフィードバック制御を行うので、制御遅れを回避できない。そこで特許文献１では、クランク角に対する気筒内圧力及び演算開始クランク角の気筒内ガス温度を入力し、それらに基づいて、気筒内ガスが断熱圧縮されるとの仮定のもとで気筒内ガス温度を計算して、その気筒内ガス温度が１２００Ｋ以上に達した時点がノック発生時期であるとして、ノック発生時期を予測している。
特開平７−３３２１４９号公報（第３−５頁、第１，２，５図等）

しかし、特許文献１には、基本としてノックしない点火時期に設定しておき、他の制御量について「ノックの発生しない最適状態」を適切に設定するものである。基本となる「ノックしない点火時期」は運転条件毎にあらかじめ求めておかなければならず、多大な適合工数を要していた。

またトレースノック時などノック頻度の低い運転状態では、燃焼のサイクルばらつきによってノックの発生するサイクルと発生しないサイクルとが生じる。ノックの発生するサイクルは、そのばらつきの中でも燃焼速度の速いサイクルにのみおきる。そのため燃焼のサイクルばらつきを考慮することなくノック推定を行ったのでは、誤推定する可能性がある。

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、燃焼のサイクルばらつきを考慮してノック推定を行うことで、より正確にノック推定を行うことができ、精緻に点火時期を制御可能な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。

本発明は以下のような解決手段によって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。

請求項１の発明は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段（５１）と、前記運転状態に基づいて、最大トルク最小進角点火時期(ＭＢＴ)を実現するための基本特性値(BURN又はIGNDEAD)を演算する点火基本特性値演算手段（５２）と、運転状態の影響による前記基本特性値のバラツキを示すヒストグラムの平均値と、そのヒストグラムに示されるバラツキのうち実際にノックが発生する頻度の前記平均値に対する偏差と、に基づいて設定された補正係数によって基本特性値を補正することでノック指標算出用特性値ノック指標算出用特性値(BURN'又はIGNDEAD')を演算するノック指標算出用特性値演算手段（５３１２１３又は５３１２１６）と、前記ノック指標算出用特性値に基づいてノック発生の指標となるノック発生指標を算出するノック発生指標算出手段（５３）と、前記ノック発生指標及び最大トルク最小進角点火時期(ＭＢＴ)を実現するための基本点火時期とに基づいてノックを発生しない限界の点火時期を算出するノック限界点火時期算出手段（５４〜５５）と、を有することを特徴とする。

同じ運転状態でもサイクルばらつきによって点火時期設定に必要な基本特性値（燃焼速度（燃焼期間）、点火むだ時間）は変動する。そこで本発明では、基本特性値（燃焼速度（燃焼期間）、点火むだ時間）のサイクルばらつきを考慮してノックを発生しやすい基本特性値（燃焼速度（燃焼期間）、点火むだ時間）であるノック指標算出用特性値を演算し、そのノック指標算出用特性値と基本点火時期とからノックを発生しない限界の点火時期を算出するようにした。このようにすることで、より正確にノック指標を算出することができ、精緻に点火時期を制御することができるようになったのである。

以下では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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

続いて、本発明の特徴である制御の基本的な考え方について説明する。

図２、図３はノック発生メカニズムについて説明する図である。

混合ガスに点火され、燃焼が開始すると、熱発生率が急激に上昇する（図２（Ａ））。すると、筒内温度（図２（Ｂ））、筒内圧力（図２（Ｃ））も上昇する。そして、点火された火が伝わる前に未燃ガスが自着火して急激な燃焼を起こすと、ノックを発生する（図２（Ｃ））。自着火時間τの逆数（１／τ）が着火遅れを表す。この１／τの時間積分値が１となるクランク角でノックが発生する（図２（Ｄ））。すなわち、∫１／τ・ｄｔがノック発生指標である。

図３を参照してさらに詳しく説明する。なお図３（Ａ）は横軸に筒内温度、縦軸に筒内圧力をとったときの１／τマップである。筒内温度及び筒内圧力がわかれば、このマップから１／τの値が求まる。１／τを筒内圧力、筒内温度の履歴に沿って求めて時間積分して∫１／τ・ｄｔを求める。∫１／τ・ｄｔ＝１となるクランク角でノックが発生すると推定できる。

その推定の実証結果を図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）の横軸にノック発生クランク角の実測値をとり、一方、縦軸に上記のようにして算出したノック発生クランク角の推定値をとる。すると図３（Ｂ）からも明らかなように推定値が実測値と略一致し、上記推定の正しいことが立証できた。

本件発明者は、ノック発生指標として∫１／τ・ｄｔを導入した。これにより、ノック発生指標を筒内圧力及び筒内温度に帰着させることができたのである。筒内圧力及び筒内温度は筒内ガスの最も基本的な状態量であるので、機関機種によらずに略同一の特性とすることが可能になり、またエンジンの暖機状態や環境条件にかかわらず、精度よくリアルタイムにノック発生時期を推定することが可能になったのである。

図４は本発明による点火時期制御装置の制御の全体を示す制御ブロック図である。

エンジンコントローラ５０は、運転状態５１に基づいて燃焼速度５２１、燃焼期間５２２、基本点火時期５２３を順次算出し、また、ノック発生指標５３を演算し、進角補正／限界（リタード幅）５４を求め、それらよりノック限界点火時期５５を算出する。

続いて、各構成ブロックについてさらに詳しく説明する。なお、ＭＢＴ演算部５２の具体的な内容については特開２００３−１４８２３６号公報において詳細に説明されているので本件では説明を省略する。

図５はノック発生指標ブロック５３を詳述する図である。

ノック発生指標ブロック５３においては、基本点火時期MBTCAL及び演算クランク角間隔delta_thetaを入力し、ノック発生指標演算開始要求JOB_REQに基づき、演算カウンタ(i)ごとに演算クランク角CA_calc(i)を順次計算する。そしてその演算クランク角CA_calc(i)に基づいてノック発生指標５３０を演算し、演算カウンタ(i)ごとにノック発生指標idx_kocr(i)及び質量燃焼割合X_burn(i)を順次計算する。なお質量燃焼割合X_burn(i)が燃焼終了時燃焼割合X_burn_endを超えるまで、割込演算を要求する。

ノック発生指標演算ブロック５３０については図６を参照しながら説明する。ノック発生指標演算ブロック５３０は、筒内平均温度・圧力演算ブロック５３１と、ノック発生指標演算ブロック５３２とを有する。筒内平均温度・圧力演算ブロック５３１においては、クランク角度CA、エンジン回転数NE、基本点火時期MBTCAL、噴射パルス幅TP、シリンダ容積初期値V_cyl_ini、筒内温度初期値T_cyl_ini、筒内圧初期値P_cyl_ini、点火むだ時間IGNDEAD、燃焼期間BURN、基準燃焼割合X_ref、残ガス率MRESFRに基づいて、筒内温度T_cyl、筒内圧P_cyl、質量燃焼割合X_burnを算出する。ノック発生指標演算ブロック５３２においては、クランク角CA、エンジン回転数NE、基本点火時期MBTCAL、筒内温度T_cyl、筒内圧P_cylに基づいて、ノック発生指標idx_kocrを算出する。筒内平均温度・圧力演算ブロック５３１については図７を参照しながら詳述し、ノック発生指標演算ブロック５３２については図２４を参照しながら詳述する。

まず、図７を参照して、筒内平均温度・圧力演算ブロック５３１について説明する。

筒内平均温度・圧力演算ブロック５３１は、シリンダ容積演算ブロック５３１１と、発熱量演算ブロック５３１２と、冷却損失演算ブロック５３１３と、筒内温度・圧力演算ブロック５３１４とを有する。

シリンダ容積演算ブロック５３１１においては、クランク角度CAに基づいて、シリンダ容積V_cyl、ピストン変位x_pisを算出する。発熱量演算ブロック５３１２においては、クランク角度CA、噴射パルス幅TP、基本点火時期MBTCAL、点火むだ時間IGNDEAD、燃焼期間BURN、基準燃焼割合X_ref、残ガス率MRESFRに基づいて、発熱率Q_burn、物性演算用質量燃焼割合X_burn_r、質量燃焼割合X_burnを算出する。冷却損失演算ブロック５３１３においては、シリンダ容積V_cyl、ピストン変位x_pis、残ガス率MRESFR、筒内温度初期値T_cyl_ini、シリンダ容積初期値V_cyl_ini、筒内圧初期値P_cyl_ini、エンジン回転数NE、筒内圧前回値P_cyl_z、筒内温度前回値T_cyl_zに基づいて、冷却損失Q_lossを算出する。筒内温度・圧力演算ブロック５３１４においては、噴射パルス幅TP、シリンダ容積V_cyl、発熱率Q_burn、物性演算用質量燃焼割合X_burn_r、冷却損失Q_loss、筒内圧前回値P_cyl_z、筒内温度前回値T_cyl_zに基づいて、筒内圧P_cyl、筒内温度T_cylを算出する。

続いて、図７に示した筒内平均温度・圧力演算ブロック５３１を構成する各ブロックについてさらに詳しく説明する。

はじめに、シリンダ容積演算ブロック５３１１の詳細について、図８を参照して説明する。シリンダ容積演算ブロック５３１１は、ピストン変位演算ブロック５３１１１と、シリンダ容積演算ブロック５３１１２とを有する。ピストン変位演算ブロック５３１１１において、クランク角度CAからピストン変位x_pisを算出する。シリンダ容積演算ブロック５３１１２において、シリンダ容積V_cylを算出する。

次に、発熱量演算ブロック５３１２の詳細について、図９を参照して説明する。

発熱量演算ブロック５３１２は、Wiebe関数定数設定ブロック５３１２１と、熱発生率算出ブロック５３１２２と、質量燃焼割合算出ブロック５３１２３と、発熱量／１シリンダ／１サイクル算出ブロック５３１２４と、発熱量／１シリンダ／演算間隔算出ブロック５３１２５とを有する。

ここでWiebe関数について説明する。熱発生率の特性を表すものとして、質量燃焼割合X(%)をクランク角θ(deg)に対する関数として一般に
Ｘ＝１−exp[-ａ・[(θ-θ_S)/θ_B]ⁿ⁺¹] …(1)
θ_S ：実燃焼開始クランク角(deg)
θ_B ：実燃焼期間(deg)
ａ，ｎ：定数
と記述することができる。上記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。これは実験等によって予め決めておくことができる。この(1)式がWiebe関数である。

上記(1)式をθで微分すると熱発生率を表す関数となり、
ｄＸ／ｄθ
＝ａ(ｎ＋１)/θ_B・[(θ-θ_S)/θ_B]ⁿ・exp[-ａ・[(θ-θ_S)/θ_B]ⁿ⁺¹] …(2)
(1)式を実燃焼期間θ_Bについて解けば、
θ_B＝θ/[-log(１−Ｘ)/ａ]^1/(n+1) …(3)
となる。

以上を踏まえて、Wiebe関数定数設定ブロック５３１２１について、図１０を参照しながら説明する。なお図１０は上述の(3)式を制御ブロック図として記載したものである。すなわち、(3)式において、θ＝BURN'、X＝X_refを代入すれば実燃焼期間θ_B(BURN_r)を算出することができる。Wiebe関数定数設定ブロック５３１２１は、基本点火時期MBTCAL、ノック指標算出用点火むだ時間IGNDEAD'に基づいて、熱発生開始時期BURN_iniを算出するとともに、ノック指標算出用燃焼期間BURN'、基準燃焼割合X_refに基づいて、実燃焼期間BURN_rを算出する。

ここで図１１を参照して、さらにWiebe関数定数設定ブロック５３１２１についてさらに説明を補足する。Wiebe関数定数設定ブロック５３１２１は、EGR補正係数算出ブロック５３１２１１、回転速度補正係数算出ブロック５３１２１２、ノック指標算出用燃焼期間演算ブロック５３１２１３、EGR補正係数算出ブロック５３１２１４、回転速度補正係数算出ブロック５３１２１５、ノック指標算出用点火むだ時間演算ブロック５３１２１６からなる。

EGR補正係数算出ブロック５３１２１１では不活性ガス率EGRからEGR補正係数CEGRSを求める。具体的には図１２（Ａ）に例示した特性テーブルを検索して不活性ガス率EGRからEGR補正係数CEGRSを求める。

また回転速度補正係数算出ブロック５３１２１２ではエンジン回転速度NRPMから回転速度補正係数CNESを求める。具体的には図１２（Ｂ）に例示した特性テーブルを検索してエンジン回転速度NRPMから回転速度補正係数CNESを求める。

なお図１２（Ａ）（Ｂ）は、燃焼速度のヒストグラムに基づいて以下のようにして決めたものである。すなわち一定条件であっても燃焼速度は例えば図１２（Ｃ）に例示したように発生頻度にバラツキが生じる。そしてそのような燃焼速度のうちで実際にノックが発生するのは燃焼速度の速い方から或る頻度（例えば１％頻度）のものだけであることが発明者によって見いだされた。したがって単に燃焼速度の平均値に基づいてノック診断を行っても正確にはノック診断を行うことができないのである。そこで本件発明者は実際にノックのおきているサイクルの燃焼速度に基づいてノック診断するようにしたのである。なお当然のことであるが燃焼速度と燃焼期間とは互いに逆の関係にあり、すなわち燃焼速度が速ければ燃焼期間は短く、燃焼速度が遅ければ燃焼期間は長いので、図１１等では燃焼期間BURNに基づき制御を行っている。

さらに具体的に説明すると、或る不活性ガス率（例えば不活性ガス率Ａ１）における燃焼速度のヒストグラムを実験によって求め（例えば図１２（Ｃ）のようになる）、平均燃焼速度SA、及び燃焼速度の速い方から或る頻度（例えば１％頻度）の境界となるところまでの平均燃焼速度SAからの偏差量(燃焼速度補正量DS)を求める。そして不活性ガス率Ａ１に対する不活性ガス率補正係数CEGRSをCEGRS=(SA-DS)/SAとして求め、図１２（Ａ）にプロットする。さらに不活性ガス率をＡ２，Ａ３，Ａ４，・・・と変化させた場合についても、それぞれに対する不活性ガス率補正係数CEGRSを同様に求めて図１２（Ａ）にプロットし、各点を結んで図１２（Ａ）に示した特性テーブルを得る。

また同様に、或るエンジン回転速度（例えばエンジン回転速度ａ１）における燃焼速度のヒストグラムを実験によって求め、平均燃焼速度SA、及び燃焼速度の速い方から或る頻度（例えば１％頻度）の境界となるところまでの平均燃焼速度SAからの偏差量(燃焼速度補正量DS)を求める。そしてエンジン回転速度ａ１に対する回転速度補正係数CNESをCNES=(SA-DS)/SAとして求め、図１２（Ｂ）にプロットする。さらにエンジン回転速度をａ２，ａ３，ａ４，・・・と変化させた場合についても、それぞれに対する回転速度補正係数CNESを同様に求めて図１２（Ｂ）にプロットし、各点を結んで図１２（Ｂ）に示した特性テーブルを得る。

ノック指標算出用燃焼期間演算ブロック５３１２１３においては、このようにして求めたEGR補正係数CEGRS及び回転速度補正係数CNESで、ＭＢＴ演算部５２で演算した燃焼期間BURNを補正してノック指標算出用燃焼期間BURN'を求める。

次にEGR補正係数算出ブロック５３１２１４において不活性ガス率EGRからEGR補正係数CEGRIDを求める。具体的には図１３（Ａ）に例示した特性テーブルを検索して不活性ガス率EGRからEGR補正係数CEGRIDを求める。

また回転速度補正係数算出ブロック５３１２１５においてエンジン回転速度NRPMから回転速度補正係数CNEIDを求める。具体的には図１３（Ｂ）に例示した特性テーブルを検索してエンジン回転速度NRPMから回転速度補正係数CNEIDを求める。

なお図１３（Ａ）（Ｂ）は、点火むだ時間のヒストグラムに基づいて以下のようにして決めたものである。すなわち一定条件であっても点火むだ時間は例えば図１３（Ｃ）に例示したように発生頻度にバラツキが生じる。そしてそのような点火むだ時間のうちで実際にノックが発生するのは点火むだ時間の遅い方から或る頻度（例えば１％頻度）のものだけであることが発明者によって見いだされた。したがって単に点火むだ時間の平均値に基づいてノック診断を行っても正確にはノック診断を行うことができないのである。そこで本件発明者は実際にノックのおきているサイクルの点火むだ時間に基づいてノック診断するようにしたのである。

さらに具体的に説明すると、或る不活性ガス率（例えば不活性ガス率Ｂ１）における点火むだ時間のヒストグラムを実験によって求め（例えば図１３（Ｃ）のようになる）、平均点火むだ時間IDA、及び点火むだ時間の遅い方から或る頻度（例えば１％頻度）の境界となるところまでの平均点火むだ時間IDAからの偏差量(点火むだ時間補正量DID)を求める。そして不活性ガス率Ｂ１に対する不活性ガス率補正係数CEGRIDをCEGRID=(IDA-DID)/IDAとして求め、図１３（Ａ）にプロットする。さらに不活性ガス率をＢ２，Ｂ３，Ｂ４，・・・と変化させた場合についても、それぞれに対する不活性ガス率補正係数CEGRIDを同様に求めて図１３（Ａ）にプロットし、各点を結んで図１３（Ａ）に示した特性テーブルを得る。

また同様に、或るエンジン回転速度（例えばエンジン回転速度ｂ１）における点火むだ時間のヒストグラムを実験によって求め、平均点火むだ時間IDA、及び点火むだ時間の遅い方から或る頻度（例えば１％頻度）の境界となるところまでの平均点火むだ時間IDAからの偏差量(点火むだ時間補正量DID)を求める。そしてエンジン回転速度ｂ１に対する回転速度補正係数CNEIDをCNEID=(IDA-DID)/IDAとして求め、図１３（Ｂ）にプロットする。さらにエンジン回転速度をｂ２，ｂ３，ｂ４，・・・と変化させた場合についても、それぞれに対する回転速度補正係数CNEIDを図１３（Ｂ）にプロットし、各点を結んで図１３（Ｂ）に示した特性テーブルを得る。

ノック指標算出用点火むだ時間演算ブロック５３１２１６においては、このようにして求めたEGR補正係数CEGRID及び回転速度補正係数CNEIDで、ＭＢＴ演算部５２で演算した点火むだ時間IGNDEADを補正してノック指標算出用点火むだ時間IGNDEAD'を求める。

そして、以上のようにして求めたノック指標算出用燃焼期間BURN'及びノック指標算出用点火むだ時間IGNDEAD'に基づいて、実燃焼期間BURN_r及び熱発生開始時期BURN_iniを求める。なお具体的な算出法については図１０に示した通りである。

また熱発生率算出ブロック５３１２２については、図１４を参照しながら説明する。なお図１４は上述の(2)式を制御ブロック図として記載したものである。すなわち、(2)式において、θ＝CA、θ_S＝BURN_ini、θ_B＝BURN_rを代入すれば熱発生率ｄＸ／ｄθを算出することができる。熱発生率算出ブロック５３１２２は、クランク角度CA、熱発生開始時期BURN_ini、実燃焼期間BURN_rに基づいて、熱発生率を算出する。

質量燃焼割合算出ブロック５３１２３については、図１５を参照しながら説明する。なお図１５は上述の(1)式を制御ブロック図として記載したものである。すなわち、(1)式において、θ＝CA、θ_S＝BURN_ini、θ_B＝BURN_rを代入すれば質量燃焼割合Ｘ(X_burn)を算出することができる。質量燃焼割合算出ブロック５３１２３は、クランク角度CA、熱発生開始時期BURN_ini、実燃焼期間BURN_r、残ガス率MRESFRに基づいて、質量燃焼割合X_burn、物性演算用質量燃焼割合X_burn_rを算出する。

発熱量／１シリンダ／１サイクル算出ブロック５３１２４については、図１６を参照しながら説明する。発熱量／１シリンダ／１サイクル算出ブロック５３１２４は、噴射パルス幅TP、定数KCONST、目標空燃比TABYF、低発熱量Heat_Lowerに基づいて、１サイクル当たりの１シリンダ毎の発熱量を算出する。

発熱量／１シリンダ／演算間隔算出ブロック５３１２５については、図１７を参照しながら説明する。発熱量／１シリンダ／演算間隔算出ブロック５３１２５は、熱発生率及び１サイクル当たりの１シリンダ毎の発熱量に基づいて、発熱量Q_burnを算出する。

以上が発熱量演算ブロック５３１２の説明である。続いて、図７の冷却損失演算ブロック５３１３の詳細については、図１８を参照して説明する。

冷却損失演算ブロック５３１３は、燃焼室表面積算出ブロック５３１３１と、平均ピストン速度算出ブロック５３１３２と、モータリング−ガス物性値算出ブロック５３１３３と、モータリング−筒内圧算出ブロック５３１３４と、モータリング−筒内温度算出ブロック５３１３５と、熱伝達係数算出ブロック５３１３６と、冷却損失算出ブロック５３１３７とを有する。

燃焼室表面積算出ブロック５３１３１は、ピストン変位x_pisに基づいて燃焼室表面積を算出する。平均ピストン速度算出ブロック５３１３２は、エンジン回転数に基づいて平均ピストン速度を算出する。

モータリング−ガス物性値算出ブロック５３１３３は、残ガス率MRESFRから求めた質量燃焼割合と、筒内温度とに基づいて、比熱比κを算出する。具体的な算出方法は、ガス物性値算出ブロック５３１４１（図２２）と同じであるので、ここでは説明を省略する。

モータリング−筒内圧算出ブロック５３１３４は、筒内圧前回値、シリンダ容積前回値、シリンダ容積今回値、比熱比κに基づいて、筒内圧P_cylを算出する。なお本演算では断熱変化であるとして計算している。モータリング−筒内温度算出ブロック５３１３５は、筒内温度前回値、シリンダ容積前回値、シリンダ容積今回値、比熱比κに基づいて、筒内温度T_cylを算出する。なお本演算では断熱変化であるとして計算している。

次に、熱伝達係数算出ブロック５３１３６について説明する前に、冷却損失Woschniの式について説明する。

冷却損失Q_Lは以下により算出される、
Q_L = ∫_t1 ^t2 h・A・( T - T_W )・dt …(4)
h = 110・d^-0.2・P^0.8・T^-0.53・[C₁・c_m + C₂・(V_S・T_I)/(P_I・V_I)・(P - P_M)]^0.8 …(5)
h ：熱伝達係数 [ kcal/(m²・h・K) ]
d ：シリンダボア径 [ m ]
V_S ：シリンダ容積 [ m³ ]
c_m ：平均ピストン速度 [ m/s ]
P_I ：吸気弁閉時筒内圧 [ kgf/cm² ]
V_I ：吸気弁閉時筒内容積 [ m³ ]
T_I ：吸気弁閉時筒内温度 [ K ]
P_M ：モータリング筒内圧 [ kgf/cm² ]
P ：筒内圧 [ kgf/cm² ]
T ：筒内温度 [ K ]
C₁ ：6.18（排気），2.28（圧縮＆膨張） [−]
C₂ ：3.24×10^-3 [ m/(s・K) ]
なお、上記でC₁、C₂は一般に用いられている定数である。

図１９は(5)式を制御ブロックとして図示したものである。この図１９に示すように、熱伝達係数算出ブロック５３１３６は、筒内圧、筒内温度、平均ピストン速度、モータリング筒内圧、筒内温度初期値、シリンダ容積初期値、筒内圧初期値に基づいて、熱伝達係数を算出する。

図２０は(4)式を制御ブロックとして図示したものである。この図２０に示すように、冷却損失算出ブロック５３１３７は、筒内温度、燃焼室壁温度、燃焼室表面積、熱伝達係数、演算間隔、エンジン回転数に基づいて、冷却損失Q_lossを算出する。

以上が冷却損失演算ブロック５３１３の説明である。次に図７の筒内温度・圧力演算ブロック５３１４について、図２１を参照して説明する。

筒内温度・圧力演算ブロック５３１４は、ガス物性値算出ブロック５３１４１と、全ガス量算出ブロック５３１４２と、断熱変化筒内圧算出ブロック５３１４３と、断熱変化筒内温度算出ブロック５３１４４と、筒内温度算出ブロック５３１４５と、筒内圧算出ブロック５３１４６とを有する。

ガス物性値算出ブロック５３１４１は、質量燃焼割合、筒内温度に基づいて、ガス物性値（比熱比、定容比熱）を算出する。ここで、既燃ガスの割合（「物性演算用質量燃焼割合」を適用）に基づいてガス物性を算出する場合、
(ガス物性値)=(既燃ガス物性値)*(既燃ガス割合)+(未燃ガス物性値)*(1-既燃ガス割合) …(6)
であるので、それを図２２のブロック図に示した。図２２に示すように、モータリング−ガス物性値算出ブロック５３１３３は、筒内温度T_cyl(初期値はT_cyl_ini)に基づいて、既燃分の定容比熱及び比熱比を求めるとともに、同じく筒内温度T_cyl(初期値はT_cyl_ini)に基づいて、未燃分の定容比熱及び比熱比を求め、既燃分及び未燃分の割合を掛け合わせて筒内ガスの物性値を算出する。

全ガス量算出ブロック５３１４２は、図２３に示すように、噴射パルス幅TP、KCONST、空燃比ABYFに基づいて全ガス量を算出する。

断熱変化筒内圧算出ブロック５３１４３は、筒内圧前回値、シリンダ容積前回値、シリンダ容積今回値、比熱比κに基づいて、断熱変化筒内圧を算出する。断熱変化筒内温度算出ブロック５３１４４は、筒内温度前回値、シリンダ容積前回値、シリンダ容積今回値、比熱比κに基づいて、断熱変化筒内温度を算出する。筒内温度算出ブロック５３１４５は、断熱変化筒内温度、発熱量、冷却損失、全ガス量、定容比熱に基づいて筒内温度T_cylを算出する。筒内圧算出ブロック５３１４６は、断熱変化筒内圧、筒内温度、断熱変化筒内温度に基づいて、筒内圧P_cylを算出する。

以上が筒内温度・圧力演算ブロック５３１４の説明であり、これによって図６の筒内平均温度・圧力演算ブロック５３１についてすべて説明した。次に、図６のノック発生指標演算ブロック５３２について、図２４を参照しながら詳述する。

ノック発生指標演算ブロック５３２は、resetフラグ演算ブロック５３２１と、未燃ガス温度演算ブロック５３２２と、瞬時着火遅れ逆数演算ブロック５３２３と、ノック発生指標演算ブロック５３２４とを有する。

resetフラグ演算ブロック５３２１の詳細を図２５に示す。resetフラグ演算ブロック５３２１は、クランク角度CAが基本点火時期MBTCAL以上であればresetフラグを立てる。未燃ガス温度演算ブロック５３２２は、図２６に示すように未燃ガス物性値算出ブロック５３２２１と、未燃ガス温度算出ブロック５３２２２とを有する。未燃ガス物性値算出ブロック５３２２１は、ガス物性値算出ブロック５３１４１（図２２）と同じため、説明を省略する。質量燃焼割合としてゼロを入力して未燃ガスだけの物性値を算出している。また未燃ガス温度算出ブロック５３２２２は、未燃ガス温度前回値、筒内圧今回値、筒内圧前回値、比熱比κに基づいて未燃ガス温度T_ubを算出する。

瞬時着火遅れ逆数演算ブロック５３２３においては、未燃ガス温度T_ub、筒内圧P_cylに基づいて瞬時着火遅れ逆数tauinvを求める。なお、このマップは予め実験によって求めらておく。ノック発生指標演算ブロック５３２４は、図２７に示すようにエンジン回転数NEから時間を算出し、その時間によって瞬時着火遅れ逆数tauinvを積分してノック発生指標idx_kocrを算出する。なおresetフラグが立っていたら、初期値ゼロをノック発生指標idx_kocrとする。

以上が図６のノック発生指標演算ブロック５３２の説明であり、これによって図４のノック発生指標５３についてすべて説明した。続いて、図４のリタード幅算出ブロック５４について図２８を参照しながら詳述する。なお図２８はリタード幅算出ブロック５４の詳細な制御ブロックを示す図である。

リタード幅算出ブロック５４は、クランク角算出ブロック５４１と、質量燃焼割合算出ブロック５４２と、ノック強度算出ブロック５４３と、リタード幅算出ブロック５４４とを備える。

クランク角算出ブロック５４１は、予め実験によって求められている線図に基づいて、ノック発生指標idx_kocr(i)、演算クランク角CA_calc(i)からノック発生クランク角CA_knkを求める。

質量燃焼割合算出ブロック５４２は、予め実験によって求められている線図に基づいて、演算クランク角CA_calc(i)、質量燃焼割合X_burn(i)、ノック発生クランク角CA_knkからノック発生質量燃焼割合X_bknkを求める。

ノック強度算出ブロック５４３は、予め実験によって求められている線図に基づいて、ノック発生クランク角CA_knk、ノック発生時質量燃焼割合X_bknkからノック強度I_knkを求める。なお図中の線図において、矢印方向（下方）が遅角側である。

リタード幅算出ブロック５４４は、予め実験によって求められている線図に基づいて、ノック強度I_knkからリタード幅（進角補正限界）CA_rtdを求める。

次に、図４のノック限界点火時期算出ブロック５５について図２９を参照しながら詳述する。なお図２９はノック限界点火時期算出ブロック５５の詳細な制御ブロックを示す図である。基本点火時期MBTCALからリタード幅CA_rtdを遅角させて点火時期ADVを求める。

以上で、図４に示すエンジンコントローラ５０の制御についてすべて説明した。

以上、詳細に説明したように、図１２（Ｃ）、図１３（Ｃ）に示されているように、同じ運転状態でもサイクルばらつきによって燃焼速度（燃焼期間）、点火むだ時間は変動する。そこで、請求項１に記載した発明によれば、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段（５１）と、前記運転状態に基づいて、基本点火時期(MBTCAL)をはじめとする点火時期設定に必要な基本特性値(BURN又はIGNDEAD)を演算する点火基本特性値演算手段（５２）と、前記基本特性値(BURN又はIGNDEAD)のサイクルばらつきを考慮してノック発生の指標となるノック指標算出用特性値(BURN'又はIGNDEAD')を演算するノック指標算出用特性値演算手段（５３１２１３又は５３１２１６）と、前記基本点火時期と前記ノック指標算出用特性値とに基づいてノックを発生しない限界の点火時期を算出するノック限界点火時期算出手段（５４〜５５）と、を有するようにしたのである。このようにすることで、より正確にノック指標を算出することができ、精緻に点火時期を制御することができるようになったのである。

熱発生パターンの基本プロファイルは燃焼室形状や点火プラグ位置などによってほぼ決まる。そこで請求項２に記載した発明に示したように、基本点火時期(MBTCAL)とノック指標算出用特性値(BURN'又はIGNDEAD')とに基づいて熱発生パターンを得ることができるのである。このようにすることで適切な熱発生パターンを容易に算出することができ、この点においても精緻な点火時期制御が可能となる。

不活性ガス率が大きくなると燃焼が不安定になるので燃焼速度のバラツキが大きくなる。そこで請求項３に記載した発明では、不活性ガス率を検出し、その検出した不活性ガス率における基本特性値(BURN又はIGNDEAD)のバラツキを考慮してノック指標算出用特性値(BURN'又はIGNDEAD')を演算するようにしたのである。このようにしたので不活性ガス率の変動があっても精緻な点火時期制御が可能となる。

高回転時に比べて低回転域では燃焼速度が遅いので燃焼速度のバラツキが大きくなる。そこで請求項４に記載した発明では、エンジン回転速度を検出し、その検出したエンジン回転速度における基本特性値(BURN又はIGNDEAD)のバラツキを考慮してノック指標算出用特性値(BURN'又はIGNDEAD')を演算するようにしたのである。このようにしたのでエンジン回転速度の変動があっても精緻な点火時期制御が可能となる。

また請求項５に記載した発明では、不活性ガス率及びエンジン回転速度の変動に対して精緻な点火時期制御が可能となる。

請求項６に記載した発明によれば、基本特性値(BURN又はIGNDEAD)の平均値を算出するとともに、基本特性値のバラツキを考慮してもノックを発生しやすい基本特性値とするための補正量を算出して、それら算出した基本特性値の平均値及び補正量に基づいてノック指標算出用特性値を演算するようにした。基本特性値の平均値は、他の演算でも使用される基本的な値であり、それとは別に補正値だけを算出するようにしたので、演算負荷を増大させることなく、本点火時期制御を行うことができるのである。

請求項７に記載した発明によれば、運転状態に基づいて、基本特性値としてサイクルの燃焼期間を算出し、その燃焼期間のサイクルばらつきを考慮して、ノック指標算出用特性値としてノックを発生しやすい燃焼期間を演算するようにしたので、適切なノック指標算出用特性値を算出することができる。

請求項８に記載した発明によれば、運転状態に基づいてサイクルの燃焼速度を演算し、その燃焼速度に基づいて燃焼期間を算出するようにしたので、燃焼速度のサイクルばらつきに応じてノック指標算出用特性値を算出することができ、適切なノック指標算出用特性値を算出することができる。

請求項９に記載した発明によれば、運転状態に基づいて、基本特性値としてサイクルの点火むだ時間を算出し、その点火むだ時間のサイクルばらつきを考慮して、ノック指標算出用特性値としてノックを発生しやすい点火むだ時間を演算するようにしたので、適切なノック指標算出用特性値を算出することができる。

またサイクルばらつきの中でも速い燃焼速度を持つサイクルがノックを起こす傾向にある。そこで請求項１０に記載した発明によれば、燃焼速度が速くなるように、又は点火むだ時間が短くなるように、ノック指標算出用特性値を演算するようにしたので、より正確なノック指標算出用特性値を演算することができるようになったのである。

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。

上記実施形態では、燃焼期間BURNに基づいてノック指標算出用燃焼期間BURN'を算出するとともに、点火むだ時間IGNDEADに基づいてノック指標算出用点火むだ時間IGNDEAD'を算出し、ノック指標算出用燃焼期間BURN'及びノック指標算出用点火むだ時間IGNDEAD'に基づいてノック限界点火時期を算出するようにしている。

しかし、いずれか一方のみを算出し、それに基づいてノック限界点火時期を算出するようにしてもよい。例えば図３０に燃焼期間BURNに基づいてノック指標算出用燃焼期間BURN'を算出する場合を例示し、図３１に点火むだ時間IGNDEADに基づいてノック指標算出用点火むだ時間IGNDEAD'を算出する場合を例示する。いずれの場合も基本的な制御法については上記実施形態と同様であるので詳細な説明は省略する。このようにすれば演算負荷を減らすことができ、安価なシステムでの実現が可能である。

本発明のシステムを説明するための概略図である。 ノック発生メカニズムについて説明する図である。 ノック発生メカニズムについて説明する図である。 本発明による点火時期制御装置の制御の全体を示す制御ブロック図である。 ノック発生指標ブロック５３を詳述する図である。 ノック発生指標演算ブロック５３０を示す図である。 筒内平均温度・圧力演算ブロック５３１を示す図である。 シリンダ容積演算ブロック５３１１を示す図である。 発熱量演算ブロック５３１２を示す図である。 Wiebe関数定数設定ブロック５３１２１を示す図である。 Wiebe関数定数設定ブロック５３１２１を補足説明する図である。 ノック指標算出用燃焼期間を演算するための補正係数の特性テーブルを示す図である。 ノック指標算出用点火むだ時間を演算するための補正係数の特性テーブルを示す図である。 熱発生率算出ブロック５３１２２を示す図である。 質量燃焼割合算出ブロック５３１２３を示す図である。 発熱量／１シリンダ／１サイクル算出ブロック５３１２４を示す図である。 発熱量／１シリンダ／演算間隔算出ブロック５３１２５を示す図である。 冷却損失演算ブロック５３１３の詳細を示す図である。 熱伝達係数算出ブロック５３１３６を示す図である。 冷却損失算出ブロック５３１３７を示す図である。 筒内温度・圧力演算ブロック５３１４を示す図である。 モータリング−ガス物性値算出ブロック５３１４１を示す図である。 全ガス量算出ブロック５３１４２を示す図である。 ノック発生指標演算ブロック５３２を示す図である。 resetフラグ演算ブロック５３２１を示す図である。 未燃ガス温度演算ブロック５３２２を示す図である。 ノック発生指標演算ブロック５３２４を示す図である。 リタード幅算出ブロック５４の詳細な制御ブロックを示す図である。 ノック限界点火時期算出ブロック５５を示す図である。 Wiebe関数定数設定ブロック５３１２１の他の実施形態１を説明する図である。 Wiebe関数定数設定ブロック５３１２１の他の実施形態２を説明する図である。

符号の説明

１ エンジン
５０ エンジンコントローラ
５１ 運転状態検出手段
５２ ＭＢＴ演算ブロック（点火基本特性値演算手段）
５２２ 燃焼期間算出ブロック（燃焼期間算出手段）
５２３ 基本点火時期算出ブロック（基本点火時期算出手段）
５３ ノック発生指標ブロック
５３０ ノック発生指標演算ブロック
５３１ 筒内平均温度・圧力演算ブロック（温度圧力算出手段）
５３１１ シリンダ容積演算ブロック（筒内容積算出手段）
５３１２ 発熱量演算ブロック（発熱量算出手段）
５３１２１ Wiebe関数定数設定ブロック（熱発生パターン算出手段）
５３１２１３ ノック指標算出用燃焼期間演算ブロック（ノック指標算出用特性値演算手段）
５３１２１６ ノック指標算出用点火むだ時間演算ブロック（ノック指標算出用特性値演算手段）
５３１２２ 熱発生率算出ブロック
５３１３ 冷却損失演算ブロック（冷却損失算出手段）
５３１４ 筒内温度・圧力演算ブロック（温度圧力算出手段）
５３２ ノック発生指標演算ブロック（ノック発生指標算出手段）
５４ リタード幅算出ブロック（点火時期補正量算出手段（ノック限界点火時期算出手段））
５４１ クランク角算出ブロック（ノック発生時期算出手段）
５４２ 質量燃焼割合算出ブロック（質量燃焼割合算出手段）
５４３ ノック強度算出ブロック（ノック強度算出手段）
５４４ リタード幅算出ブロック（リタード補正量算出手段）
５５ ノック限界点火時期算出ブロック（ノック限界点火時期算出手段）

Claims (9)

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、最大トルク最小進角点火時期(ＭＢＴ)を実現するための基本特性値を演算する点火基本特性値演算手段と、
   運転状態の影響による前記基本特性値のバラツキを示すヒストグラムの平均値と、そのヒストグラムに示されるバラツキのうち実際にノックが発生する頻度の前記平均値に対する偏差と、に基づいて設定された補正係数によって基本特性値を補正することでノック指標算出用特性値を演算するノック指標算出用特性値演算手段と、
   前記ノック指標算出用特性値に基づいてノック発生の指標となるノック発生指標を算出するノック発生指標算出手段と、
   前記ノック発生指標及び最大トルク最小進角点火時期(ＭＢＴ)を実現するための基本点火時期とに基づいてノックを発生しない限界の点火時期を算出するノック限界点火時期算出手段と、
   を有する内燃機関の点火時期制御装置。
2. 前記ノック限界点火時期算出手段は、前記基本点火時期と前記ノック指標算出用特性値とに基づいて算出した熱発生パターンからノック限界点火時期を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
3. 前記運転状態検出手段は、運転状態として不活性ガス率を検出し、
   前記ノック指標算出用特性値演算手段は、検出した不活性ガス率における前記基本特性値のバラツキを考慮して前記ノック指標算出用特性値を演算する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
4. 前記運転状態検出手段は、運転状態としてエンジン回転速度を検出し、
   前記ノック指標算出用特性値演算手段は、検出したエンジン回転速度における前記基本特性値のバラツキを考慮して前記ノック指標算出用特性値を演算する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
5. 前記運転状態検出手段は、運転状態として不活性ガス率及びエンジン回転速度を検出し、
   前記ノック指標算出用特性値演算手段は、検出した不活性ガス率及びエンジン回転速度における前記基本特性値のバラツキを考慮して前記ノック指標算出用特性値を演算する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
6. 前記点火基本特性値演算手段は、前記運転状態に基づいて、最大トルク最小進角点火時期(ＭＢＴ)を実現するための燃焼期間を前記基本特性値として算出し、
   前記ノック指標算出用特性値演算手段は、前記燃焼期間のバラツキを考慮して、ノック指標算出用燃焼期間を演算する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
7. 前記点火基本特性値演算手段は、前記運転状態に基づいて燃焼速度を演算し、その燃焼速度に基づいて最大トルク最小進角点火時期(ＭＢＴ)を実現するための燃焼期間を算出する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
8. 前記点火基本特性値演算手段は、前記運転状態に基づいて、最大トルク最小進角点火時期(ＭＢＴ)を実現するための点火むだ時間を前記基本特性値として算出し、
   前記ノック指標算出用特性値演算手段は、前記点火むだ時間のバラツキを考慮して、ノック指標算出用点火むだ時間を演算する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
9. 前記ノック指標算出用特性値演算手段は、前記燃焼速度が速くなるように、又は前記点火むだ時間が短くなるように、前記ノック指標算出用特性値を演算する、
   ことを特徴とする請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載の内燃機関の点火時期制御装置。

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