JP4244654B2 - エンジンの点火時期制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式エンジンの点火時期制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の点火時期制御装置として、特許文献１に示したようなものが知られている。この種の従来の点火時期制御装置では、エンジンの回転数や負荷などの運転状態信号に基づいて定めた基本点火時期を冷却水温度や燃焼の速さなどを考慮した所定の補正を施すことにより基本的に最大トルク点であるＭＢＴの付近に点火時期を制御するようにしている。ただし、制御目標となるのは常にＭＢＴというわけではなく、例えばノッキングが発生する領域ではトレースノックとなるようにＭＢＴよりも遅らせた点火時期となるように補正する必要があり、低回転低負荷の領域ではＭＢＴでは燃焼安定度が低下して吹き消えによる部分燃焼や失火が発生し、またＨＣ排出量も多いことから、やはり点火時期リタードが必要となる。このような点火時期補正には、例えば回転と負荷で補正量を割り付けたトリミングマップを参照する手法が用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平10-30535号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの運転環境ないしは運転条件の変化、あるいは機器類のバラツキや劣化によりノッキング特性や燃焼安定度が変化した場合には、これに対応するように点火時期を補正しようとすると、そのような外乱因子が作用する領域を正確に特定できないため、余計な領域まで補正して燃費や排気性能を損なうおそれが生じる。もしこのような外乱因子に対して正確な点火時期補正を実施しようとすると、判定条件が増加して制御ロジックが複雑化し、あるいは事前のマッチングに非常に多くの工数が必要となってしまう。
【０００５】
【発明の概要】
本発明では、火花点火式エンジンの基本的な点火時期の要素として、ＭＢＴ点火時期と燃焼安定限界点火時期とをそれぞれ運転状態に応じて求め、これらのうち遅いほうに基づいて点火時期制御を行う。これにより、ＭＢＴまたは燃焼安定限界点火時期のいずれかが外乱により変化したとしてもそれぞれを別個に補正した結果として、燃費および排気性能の点からより好ましい点火時期を設定することが可能となる。またこの場合、外乱に対する補正を演算により行うので、比較的簡単なロジックおよび工数で最適点火時期制御を実現することができる。
【０００６】
前記ＭＢＴ点火時期またはノック限界点火時期は、それぞれシリンダ内混合気の燃焼速度を用いて算出することができ、これによりメモリ容量や演算時間などの演算負荷を少なくしながら精度の高い演算結果を得ることができる。
【０００７】
外乱に影響される点火時期の要素として、さらに燃焼安定限界の点火時期（以下単に燃焼限界という。）を付加することができ、これを運転状態から求めて前記ＭＢＴ点火時期、ノック限界点火時期と比較し、最も遅い点火時期を選択する構成とすることにより、さらに精度の高い点火時期制御を行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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急速に燃焼し、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。
【００１２】
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３１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。
【００１３】
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３１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。
【００１４】
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（図示しない）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。運転条件によっては燃焼室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３１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。
【００１５】
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３１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。
【００１６】
図２はエンジンコントローラ３１内で行われる点火時期制御のブロック図で、主としてＭＢＴとなる点火時期ＭＢＴＣＡＬを求める部分の詳細を示している。このシステムは、大きくは点火時期演算部５１と点火時期制御部６１とからなる。点火時期演算部５１はさらに初期燃焼期間計算部５２、主燃焼期間計算部５３、燃焼期間計算部５４、基本点火時期計算部５５、前回燃焼開始時期計算部５６、点火時期指令値計算部５７からなる。
【００１７】
初期燃焼期間計算部５２では、混合気が着火してから火炎核が形成されるまでの期間を初期燃焼期間ＢＵＲＮ１として計算する。主燃焼期間計算部５３では、火炎核が形成されてから燃焼圧力が最大値Ｐｍａｘに達するまでの期間を主燃焼期間ＢＵＲＮ２として計算する。燃焼期間計算部５４では、これら初期燃焼期間ＢＵＲＮ１と主燃焼期間ＢＵＲＮ２との合計を、点火より最大燃焼圧力Ｐｍａｘに至るまでの燃焼期間ＢＵＲＮとして計算する。基本点火時期計算演算部５５では、この燃焼期間ＢＵＲＮに基づいてＭＢＴの得られる点火時期（この点火時期を「基本点火時期」という。）ＭＢＴＣＡＬを計算する。
【００１８】
点火時期指令値計算部５７では、図１４のフローに示したように、前記ＭＢＴＣＡＬを基本として、これを後述する手法により算出したノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬさらには燃焼限界点火時期ＣＣＬＣＡＬと比較し、これらのうち最小値（最も遅い点火時期）を点火時期最小値ＰＡＤＶとして選択し、この点火時期最小値ＰＡＤＶに各種の補正を加えて点火時期指令値ＱＡＤＶを算出して点火時期制御部６１に出力する。なお、図１４を含めて、以下の説明にて使用するフローチャートは一定時間、例えば約１０ｍｓ周期でコントローラ３１により繰り返し実行される演算処理の手順を表している。
【００１９】
点火時期制御部６１ではこのようにして求められた点火時期指令値ＱＡＤＶで点火プラグ１４が燃焼室５内の混合気に対して着火するように、イグニッションコイル１３への通電角と非通電角を制御する。
【００２０】
以下、前述した基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ、ノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬ、燃焼限界点火時期ＣＣＬＣＡＬの算出手法の一例につき、さらに詳細に説明する。
【００２１】
図３に示すようにＭＢＴ（最大トルクの得られる最小進角値）で混合気に点火した場合に混合気の燃焼圧力が最大値Ｐｍａｘとなるべきクランク角を基準クランク角θＰＭＡＸ［ｄｅｇＡＴＤＣ］とする。基準クランク角θＰＭＡＸは燃焼方式によらずほぼ一定であり、一般に１２〜１５度、最大で１０〜２０度の範囲内にある。
【００２２】
図４に火花点火エンジンにおける燃焼室内の燃焼解析により得られた燃焼質量割合Ｒの変化を示す。燃焼室に供給された燃料に対する燃焼質量の比率を表す燃焼質量割合Ｒは、点火時に０％であり、完全燃焼によって１００％に達する。基準クランク角θＰＭＡＸにおける燃焼質量割合Ｒｍａｘは一定で約６０％である。
【００２３】
燃焼質量割合Ｒが０％から基準クランク角θＰＭＡＸ相当の約６０％に達するまでの燃焼期間は、点火直後で燃焼質量割合にも燃焼圧力にもほとんど変化のない期間である初期燃焼期間と、燃焼質量割合と燃焼圧力が急激に増加する主燃焼期間とに分けられる。初期燃焼期間は、燃焼の開始から火炎核が形成されるまでの段階であり、火炎核が形成されるのは燃焼質量割合で２％〜１０％のタイミングである。この期間中は、燃焼圧力や燃焼温度の上昇速度が小さく、燃焼質量割合の変化に対して初期燃焼期間は長い。初期燃焼期間の長さは燃焼室内の温度や圧力の変化の影響を受けやすい。
【００２４】
一方、主燃焼期間においては、火炎核から外側域へと火炎が伝播し、燃焼速度が急上昇する。そのため、主燃焼期間の燃焼質量割合の変化は初期燃焼期間の燃焼質量割合の変化に比べて大きい。
【００２５】
エンジンコントローラ３１では、燃焼質量割合が２％に達するまでを初期燃焼期間ＢＵＲＮ１［ｄｅｇ］とし、初期燃焼期間ＢＵＲＮ１の終了後、基準クランク角θＰＭＡＸに至るまでの区間（燃焼室量割合でいえば２％より約６０％に達するまでの間）を主燃焼期間ＢＵＲＮ２［ｄｅｇ］として区別する。そして、初期燃焼期間ＢＵＲＮ１に主燃焼期間ＢＵＲＮ２を加えた合計である燃焼期間ＢＵＲＮ［ｄｅｇ］を計算し、この燃焼期間ＢＵＲＮから基準クランク角θＰＭＡＸ［ｄｅｇＡＴＤＣ］を差し引き、さらに後述する点火時期無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤ［ｄｅｇ］を加えたクランク角位置を、ＭＢＴの得られる点火時期である基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］として設定する。
【００２６】
火炎核の形成される初期燃焼期間での燃焼室５内の圧力、温度は、点火時の圧力、温度とほぼ等価になるが、これから点火時期を計算しようとしているのに、最初から正確な点火時期を設定することはできない。そこで、図２に示したように前回燃焼開始時期計算部５６で基本点火時期の前回値を前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］として計算し、この値を初期燃焼期間計算部５２に対して与えるようにし、初期燃焼期間計算部５２において初期燃焼期間の計算をサイクリックに繰り返すことで、精度の高い結果を時間遅れなしに出すようにしている。
【００２７】
次に、エンジンコントローラ３１で実行される点火時期指令値ＱＡＤＶの計算を以下のフローチャートを参照しながら詳述する。
【００２８】
図５は点火時期の計算に必要な各種の物理量を計算するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００２９】
まずステップ１１では、吸気弁閉時期ＩＶＣ［ｄｅｇＢＴＤＣ］、温度センサ４３により検出されるコレクタ内温度ＴＣＯＬ［Ｋ］、温度センサ４５により検出される排気温度ＴＥＸＨ［Ｋ］、内部不活性ガス率ＭＲＥＳＦＲ［％］、温度センサ３７により検出される冷却水温ＴＷＫ［Ｋ］、目標当量比ＴＦＢＹＡ、クランク角センサにより検出されるエンジン回転速度ＮＲＰＭ［ｒｐｍ］、点火無駄時間ＤＥＡＤＴＩＭＥ［μｓｅｃ］を読み込む。
【００３０】
ここで、クランク角センサはクランクシャフト７のポジションを検出するポジションセンサ３３と、吸気用カムシャフト２５ポジションを検出するフェーズセンサ３４とからなり、これら２つのセンサ３３、３４からの信号に基づいてエンジン回転速度ＮＲＰＭ［ｒｐｍ］が計算されている。
【００３１】
吸気弁閉時期ＩＶＣは吸気ＶＴＣ機構２７に与える指令値から既知である。あるいはフェーズセンサ３４により実際の吸気弁閉時期を検出してもかまわない。
【００３２】
内部不活性ガス率ＭＲＥＳＦＲは燃焼室内に残留する不活性ガス量を燃焼室内の総ガス量で除した値で、その算出手法は例えば特開２００１−２２１１０５号公報等により知られている。点火無駄時間ＤＥＡＤＴＩＭＥは一定値である。
【００３３】
目標当量比ＴＦＢＹＡは図示しない燃料噴射量の計算フローにおいて計算されている。目標当量比ＴＦＢＹＡは無名数であり、理論空燃比を１４．７とすると、次式により表される値である。
【００３４】
ＴＦＢＹＡ＝１４．７／目標空燃比 … （１）
例えば（１）式より目標空燃比が理論空燃比のときＴＦＢＹＡ＝１．０となり、目標空燃比が例えば２２．０といったリーン側の値であるとき、ＴＦＢＹＡは１．０未満の正の値である。
【００３５】
ステップ１２では、燃焼室５の吸気弁閉時期ＩＶＣにおける容積（つまり圧縮開始時期での容積）ＶＩＶＣ［ｍ3］を計算する。燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣは、ピストン６のストローク位置によって決まる。ピストン６のストローク位置はエンジンのクランク角位置によって決まる。
【００３６】
図６を参照して、エンジンのクランクシャフト７１の回転中心７２がシリンダの中心軸７３からオフセットしている場合を考える。コネクティングロッド７４、コネクティングロッド７４とクランクシャフト７１との結節点７５、コネクティングロッド７４とピストンをつなぐピストンピン７６が図に示す関係にあるとする。このときの、燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣは次式（２）〜（６）で表すことができる。
【００３７】
ただし、Ｖｃ ：隙間容積［ｍ3］、
ε ：圧縮比、
Ｄ ：シリンダボア径［ｍ］、
ＳＴ ：ピストンの全ストローク［ｍ］、
Ｈ ：ピストンピン７６のＴＤＣからの距離［ｍ］、
ＣＮＤ ：コネクティングロッド７４の長さ［ｍ］、
ＣＲoff ：結節点７５のシリンダ中心軸７３からのオフセット距離［ｍ］、
ＰＩＳoff ：クランクシャフト回転中心７２のシリンダ中心軸７３からのオフセット距離［ｍ］、
θivc ：吸気弁閉時期のクランク角［ｄｅｇＡＴＤＣ］、
θoff ：ピストンピン７６とクランクシャフト回転中心７２とを結ぶ線がＴＤＣにおいて垂直線となす角度［ｄｅｇ］、
Ｘ ：結節点７５とピストンピン７６との水平距離［ｍ］
吸気弁閉時期のクランク角θivcは前述のように、エンジンコントローラ３１から吸気ＶＴＣ機構２７への指令信号によって決まるので、既知である。式（２）〜（６）にこのときのクランク角θivc（＝ＩＶＣ）を代入すれば、燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣを計算することができる。したがって、実用上は燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣは吸気弁閉時期ＩＶＣをパラメータとするテーブルで設定したものを用いる。吸気ＶＴＣ機構２７を備えないときには定数で与えることができる。
【００３８】
ステップ１３では、燃焼室５の吸気弁閉時期ＩＶＣにおける温度（つまり圧縮開始時期温度）ＴＩＮＩ［Ｋ］を計算する。燃焼室５の吸気弁閉時期ＩＶＣにおける温度ＴＩＮＩは、燃焼室５に流入する新気と燃焼室５に残留する不活性ガスとが混じったガスの温度であり、燃焼室５に流入する新気の温度は吸気コレクタ２内の新気温度ＴＣＯＬに等しく、また燃焼室５内に残留する不活性ガスの温度は排気ポート部近傍の排気温度ＴＥＸＨで近似できるので、吸気コレクタ２内の新気温度ＴＣＯＬ、排気温度ＴＥＸＨ、燃焼室５内に残留する不活性ガスの割合である内部不活性ガス率ＭＲＥＳＦＲから次式により求めることができる。
【００３９】
ＴＩＮＩ＝ＴＥＸＨ×ＭＲＥＳＦＲ＋ＴＣＯＬ×（１−ＭＲＥＳＦＲ）… （７）
ステップ１４では、燃焼室５内の混合気の燃えやすさを表す反応確率ＲＰＲＯＢＡ［％］を計算する。反応確率ＲＰＲＯＢＡは無次元の値であり、残留不活性ガス率ＭＲＥＳＦＲ、冷却水温ＴＷＫ［Ｋ］、目標当量比ＴＦＢＹＡの３つのパラメータに依存するので、次式により表すことができる。
【００４０】
ＲＰＲＯＢＡ＝ｆ３（ＭＲＥＳＦＲ、ＴＷＫ、ＴＦＢＹＡ） … （８）
具体的に説明すると、ＭＲＥＳＦＲ、ＴＷＫ、ＴＦＢＹＡの３つのパラメータの組み合わせによって得られる反応確率の最大値を１００％とし、これらのパラメータと反応確率ＲＰＲＯＢＡの関係を実験的に求め、求めた反応確率ＲＰＲＯＢＡをパラメータに応じたテーブルとしてエンジンコントローラ３１のメモリに予め格納しておく。ステップ１４ではパラメータに応じてこのテーブルを検索することにより反応確率ＲＰＲＯＢＡを求める。
【００４１】
具体的には、冷却水温ＴＷＫに応じて図７に示すような特性を有する水温補正係数のテーブルと、同様に設定された内部不活性ガス率補正係数のテーブル（図示しない）と、目標当量比Ｔｆｂｙａに応じて図８に示すような特性を有する当量比補正係数のテーブルを予めメモリに格納しておく。各補正係数の最大値はそれぞれ１．０であり、３種類の補正係数の積に反応確率の最大値１００％を掛け合わせることで、反応確率ＲＰＲＯＢＡを算出する。
【００４２】
各テーブルを説明すると、図７に示す水温補正係数は冷却水温ＴＷＫが高いほど大きく、冷却水温ＴＷＫが８０℃以上では１．０になる。図８に示す当量比補正係数は目標当量比ＴＦＢＹＡが１．０のとき、つまり理論空燃比のときに最大値の１．０となり、目標当量比が１．０より大きくても小さくても当量比補正係数は減少する。内部不活性ガス率補正係数は図示しないが、内部不活性ガス率ＭＲＥＳＦＲがゼロの場合に１．０となる。
【００４３】
ステップ１５では、基準クランク角θＰＭＡＸ［ｄｅｇＡＴＤＣ］を計算する。前述のように基準クランク角θＰＭＡＸはあまり変動しないが、それでもエンジン回転速度ＮＲＰＭの上昇に応じて進角する傾向があるため、基準クランク角θＰＭＡＸはエンジン回転速度ＮＲＰＭの関数として次式で表すことができる。
【００４４】
θＰＭＡＸ＝ｆ４（ＮＲＰＭ） … （９）
具体的にはエンジン回転速度ＮＲＰＭから、エンジンコントローラ３１のメモリに予め格納された図９に示す特性のテーブルを検索することにより基準クランク角θＰＭＡＸを求める。計算を容易にするために、基準クランク角θＰＭＡＸを一定とみなすことも可能である。
【００４５】
最後にステップ１６では、点火無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤ［ｄｅｇ］を計算する。点火無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤは、エンジンコントローラ３１から点火コイル１３の一次電流を遮断する信号を出力したタイミングから点火プラグ１４が実際に点火するまでのクランク角区間で、次式により表すことができる。
【００４６】
ＩＧＮＤＥＡＤ＝ｆ５（ＤＥＡＤＴＩＭＥ、ＮＲＰＭ） … （１０）
ここでは、点火無駄時間ＤＥＡＤＴＩＭＥを２００μｓｅｃとする。（１０）式は、エンジン回転速度ＮＲＰＭから点火無駄時間ＤＥＡＤＴＩＭＥに相当するクランク角である点火無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤを計算するためのものである。
【００４７】
図１０は初期燃焼期間ＢＵＲＮ１［ｄｅｇ］を計算するためのもの、また図１２は主燃焼期間ＢＵＲＮ２［ｄｅｇ］を計算するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。図１０、図１２は図５に続けて実行する。
図１０、図１２はどちらを先に実行してもかまわない。
【００４８】
まず図１０から説明すると、ステップ２１では、前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］、図５のステップ１２で計算されている燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣ［ｍ3］、図５のステップ１３で計算されている燃焼室５の吸気弁閉時期における温度ＴＩＴＩ［Ｋ］、エンジン回転速度ＮＲＰＭ［ｒｐｍ］、図５のステップ１４で計算されている反応確率ＲＰＲＯＢＡ［％］を読み込む。
【００４９】
ここで、前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬは、基本点火時期ＭＢＴＣＡＬの［ｄｅｇＢＴＤＣ］の１サイクル前の値であり、その計算については後述する。
【００５０】
ステップ２２では燃焼室５の燃焼開始時期における容積Ｖ０［ｍ3］を計算する。前述したように、ここでの点火時期（燃焼開始時期）は今回のサイクルで演算する基本点火時期ＭＢＴＣＡＬではなく基本点火時期の１サイクル前の値である。すなわち、基本点火時期の１サイクル前の値であるＭＢＴＣＹＣＬから次式により燃焼室５の燃焼開始時期における容積Ｖ０を計算する。
【００５１】
Ｖ０＝ｆ６（ＭＢＴＣＹＣＬ） … （１１）
具体的には前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬにおけるピストン６のストローク位置と、燃焼室５のボア径から、燃焼室５のＭＢＴＣＹＣＬにおける容積Ｖ０を計算する。図５のステップ１２では、燃焼室５の吸気弁閉時期ＩＶＣにおける容積ＶＩＶＣを、吸気弁閉時期をパラメータとする吸気弁閉時期容積のテーブルを検索することにより求めたが、ここではＭＢＴＣＹＣＬをパラメータとする前回燃焼開始時期容積のテーブルを検索することにより、燃焼室５の前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬにおける容積Ｖ０を求めればよい。
【００５２】
ステップ２３では燃焼開始時期における有効圧縮比Ｅｃを計算する。有効圧縮比Ｅｃは無次元の値であり、次式に示すように燃焼室５の燃焼開始時期における容積Ｖ０を燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣで除した値である。
【００５３】
Ｅｃ＝ｆ７（Ｖ０、ＶＩＶＣ）＝Ｖ０／ＶＩＶＣ … （１２）
ステップ２４では吸気弁閉時期ＩＶＣから燃焼開始時期に至る間の燃焼室５内の温度上昇率ＴＣＯＭＰを次式に示すように有効圧縮比Ｅｃに基づいて計算する。
【００５４】
ＴＣＯＭＰ＝ｆ８（Ｅｃ）＝Ｅｃ＾（κ−１） … （１３）
ただし、κ：比熱比
（１３）式は断熱圧縮されるガスの温度上昇率の式である。なお、（１３）式右辺の「＾」は累乗計算を表している（以下、同様）。
【００５５】
κは断熱圧縮されるガスの定圧比熱を定容比熱で除した値で、断熱圧縮されるガスが空気であればκ＝１．４であり、簡単にはこの値を用いればよい。ただし、混合気に対してκの値を実験的に求めることで、一層の計算精度の向上が可能である。
【００５６】
図１１は（１３）式を図示したものである。従って、このような特性のテーブルを予めエンジンコントローラ３１のメモリに格納しておき、有効圧縮比Ｅｃに基づき当該テーブルを検索することにより温度上昇率ＴＣＯＭＰを求めることも可能である。
【００５７】
ステップ２５では、燃焼室５の燃焼開始時期における温度Ｔ０［Ｋ］を、燃焼室５の吸気弁閉時期における温度ＴＩＮＩに温度上昇率ＴＣＯＭＰを乗じることで、つまり
Ｔ０＝ＴＩＮＩ×ＴＣＯＭＰ … （１４）
の式により計算する。
【００５８】
ステップ２６では、次式（公知）により層流燃焼速度ＳＬ１［ｍ／ｓｅｃ］を計算する。
【００５９】
ＳＬ１＝ＳＬstd×（Ｔ０×Ｔstd）2.18×（Ｐ０／Ｐstd）-0.16…（１５）
ただし、Ｔstd ：基準温度［Ｋ］、
Ｐstd ：基準圧力［Ｐａ］、
ＳＬstd：基準温度Ｔstdと基準圧力Ｐstdにおける基準層流燃焼速度［ｍ／ｓｅｃ］、
Ｔ０ ：燃焼室５の燃焼開始時期における温度［Ｋ］、
Ｐ０ ：燃焼室５の燃焼開始時期における圧力［Ｐａ］
基準温度Ｔstdと基準圧力Ｐstdと基準層流燃焼速度ＳＬstdは実験により予め定められる値である。
【００６０】
燃焼室５の通常の圧力である２ｂａｒ以上の圧力下では、（１５）式の圧力項（Ｐ０／Ｐstd）-0.16は小さな値となる。従って、圧力項（Ｐ０／Ｐstd）-0.16を一定値として、基準層流燃焼速度ＳＬstdを基準温度Ｔstdのみで規定することも可能である。
【００６１】
従って、基準温度Ｔstdが５５０［Ｋ］で、基準層流燃焼速度ＳＬstdが１．０［ｍ／ｓｅｃ］で、圧力項が０．７である場合の燃焼開始時期における温度Ｔ０と層流燃焼速度ＳＬ１との関係は近似的に次式で定義することができる。
【００６２】
ＳＬ１＝ｆ９（Ｔ０）
＝１．０×０．７×（Ｔ０／５５０）2.18 … （１６）
ステップ２７では、初期燃焼におけるガス流動の乱れ強さＳＴ１を計算する。このガス流動の乱れ強さＳＴ１は無次元の値であり、燃焼室５に流入する新気の流速と燃料インジェクタ２１の噴射燃料のペネトレーションとに依存する。
【００６３】
燃焼室５に流入する新気の流速は、吸気通路の形状と、吸気弁１５の作動状態と、吸気弁１５を設ける吸気ポート４の形状に依存する。噴射燃料のペネトレーションは燃料インジェクタ２１の噴射圧力と、燃料噴射期間と、燃焼噴射タイミングに依存する。
【００６４】
最終的に、初期燃焼におけるガス流動の乱れ強さＳＴ１は、エンジン回転速度ＮＲＰＭの関数として次式で表すことができる。
【００６５】
ＳＴ１＝ｆ１０（ＮＲＰＭ）＝Ｃ１×ＮＲＰＭ … （１７）
ただし、Ｃ１：定数
乱れ強さＳＴ１を回転速度ＮＲＰＭをパラメータとするテーブルから求めることも可能である。
【００６６】
ステップ２８では層流燃焼速度Ｓ１と乱れ強さＳＴ１から、初期燃焼におけるガスの燃焼速度ＦＬＡＭＥ１［ｍ／ｓｅｃ］を次式により計算する。
【００６７】
ＦＬＡＭＥ１＝ＳＬ１×ＳＴ１ … （１８）
燃焼室５内にガス乱れがあるとガスの燃焼速度が変化する。（１８）式はこのガス乱れに伴う燃焼速度への寄与（影響）を考慮したものである。
【００６８】
ステップ２９では、次式により初期燃焼期間ＢＵＲＮ１［ｄｅｇ］を計算する。
【００６９】
ただし、ＡＦ１：火炎核の反応面積（固定値）［ｍ2］
ここで、（１９）式右辺のＢＲ１は燃焼開始時期より初期燃焼期間ＢＵＲＮ１の終了時期までの燃焼質量割合の変化量であり、ここではＢＲ１＝２％に設定している。（１９）式右辺の（ＮＲＰＭ×６）は単位をｒｐｍからクランク角（ｄｅｇ）に変換するための措置である。火炎核の反応面積ＡＦ１は実験的に設定される。
【００７０】
次に図１２のフローに移ると、ステップ３１では回転速度ＮＲＰＭ、図５のステップ１４で計算されている反応確率ＲＰＲＯＢＡを読み込む。
【００７１】
ステップ３２では主燃焼におけるガス流動の乱れ強さＳＴ２を計算する。このガス流動の乱れ強さＳＴ２も初期燃焼におけるガス流動の乱れ強さＳＴ１と同様に、エンジン回転速度ＮＲＰＭの関数として次式で表すことができる。
【００７２】
ＳＴ２＝ｆ１１（ＮＲＰＭ）＝Ｃ２×ＮＲＰＭ … （２０）
ただし、Ｃ２：定数
乱れ強さＳＴ２を回転速度をパラメータとするテーブルから求めることも可能である。
【００７３】
ステップ３３では、層流燃焼速度ＳＬ２［ｍ／ｓｅｃ］と主燃焼におけるガス流動の乱れ強さＳＴ２とから、主燃焼における燃焼速度ＦＬＡＭＥ２［ｍ／ｓｅｃ］を次式により計算する。
【００７４】
ＦＬＡＭＥ２＝ＳＬ２×ＳＴ２ … （２１）
ただし、ＳＬ２：層流燃焼速度［ｍ／ｓｅｃ］
（２１）式は（１８）式と同様、ガス乱れに伴う燃焼速度への寄与を考慮したものである。
【００７５】
前述のように主燃焼期間ＢＵＲＮ２の長さは燃焼室５内の温度や圧力の変化の影響を受けにくい。従って、層流燃焼速度ＳＬ２には予め実験的に求めた固定値を適用する。
【００７６】
ステップ３４では、主燃焼期間ＢＵＲＮ２［ｄｅｇ］を（１９）式に類似した次式で計算する。
【００７７】
ただし、Ｖ２ ：燃焼室５の主燃焼期間開始時容積［ｍ3］、
ＡＦ２：火炎核の反応面積［ｍ2］
ここで、（２２）式右辺のＢＲ２は主燃焼期間の開始時期より終了時期までの燃焼質量割合の変化量である。初期燃焼期間の終了時期に燃焼質量割合が２％になり、その後、主燃焼期間が開始し、燃焼質量割合が６０％に達して主燃焼期間が終了すると考えているので、ＢＲ２＝６０％−２％＝５８％を設定している。ＡＦ２は火炎核の成長行程における平均の反応面積であり、（１９）式のＡＦ１と同様に、予め実験的に定めた固定値とする。燃焼室５の主燃焼期間開始時における容積Ｖ２も固定値である。
【００７８】
図１３は基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］を計算するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。図１０、図１２のうち遅く実行されるフローに続けて実行する。
【００７９】
ステップ４１では、図１０のステップ２９で計算されている初期燃焼期間ＢＵＲＮ１、図１２のステップ３４で計算されている主燃焼期間ＢＵＲＮ２、図５のステップ１６で計算されている点火時期無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤ、図５のステップ１５で計算されている基準クランク角θＰＭＡＸを読み込む。
【００８０】
ステップ４２では、初期燃焼期間ＢＵＲＮ１と主燃焼期間ＢＵＲＮ２の合計を燃焼期間ＢＵＲＮ［ｄｅｇ］として計算する。
【００８１】
ステップ４３では次式により基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］を計算する。
【００８２】
ＭＢＴＣＡＬ＝ＢＵＲＮ−θＰＭＡＸ＋ＩＧＮＤＥＡＤ … （２３）
ステップ４４では、この基本点火時期ＭＢＴＣＡＬから点火無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤを差し引いた値を前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］として計算する。
【００８３】
このようにして計算した基本点火時期ＭＢＴＣＡＬは、後述するノック限界もしくは燃焼限界の点火時期と比較され、これらのうちの最小値（最も近く側の値）が点火時期最小値ＰＡＤＶ［ｄｅｇＢＴＤＣ］として選択される。この点火時期最小値ＰＡＤＶに対して、早期排温上昇のための遅角化、変速時トルクダウンのための遅角化等、各種の補正を加えて、点火時期指令値ＱＡＤＶ［ｄｅｇＢＴＤＣ］を算出する。この点火時期指令値ＱＡＤＶは点火レジスタに移され、実際のクランク角がこの点火時期指令値ＱＡＤＶと一致したタイミングでエンジンコントローラ３１より一次電流を遮断する点火信号が点火コイル１３に出力される。
【００８４】
また、今サイクルの点火時期指令値としてステップ４３で計算された基本点火時期ＭＢＴＣＡＬが用いられたとすると、次サイクルの点火時期になるまでの間、ステップ４４で計算された前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬが図１０のステップ２２において用いられる。
【００８５】
以上のように、本実施形態においては、燃焼室５内の未燃ガス量などの質量計算を行わずにＭＢＴの得られる点火時期である基本点火時期ＭＢＴＣＡＬを計算するので、計算負荷を小さく抑えることができる。
【００８６】
また、上記（１９）式に示したように初期燃焼期間ＢＵＲＮ１を、燃焼開始時期における燃焼室容積Ｖ０と、混合気の燃焼のしやすさを表す反応確率ＲＰＲＯＢＡと、燃焼速度ＦＬＡＭＥ１の関数で表している。ここで、燃焼開始時期における燃焼室容積Ｖ０が大きいほど、反応確率ＲＰＲＯＢＡが小さいほど、燃焼速度ＦＬＡＭＥ１が遅いほど、それぞれ初期燃焼期間ＢＵＲＮ１が長くなり、結果として基本点火時期ＭＢＴＣＡＬが進角する。
【００８７】
同様に、上記（２２）式に示したように主燃焼期間ＢＵＲＮ２を、主燃焼期間の開始時期における燃焼室容積Ｖ２と、混合気のしやすさを表す反応確率ＲＰＲＯＢＡと、燃焼速度ＦＬＡＭＥ２の関数で表している。ここで、主燃焼期間開始時期における燃焼室容積Ｖ２が大きいほど、反応確率ＲＰＲＯＢＡが小さいほど、燃焼速度ＦＬＡＭＥ２が遅いほど、それぞれ主燃焼期間ＢＵＲＮ２が長くなり、結果として点火時期ＭＢＴＣＡＬが進角する。
【００８８】
このように、燃焼期間ＢＵＲＮ１とＢＵＲＮ２を、燃焼期間に影響を与える様々なパラメータの関数として計算することで、燃焼期間ＢＵＲＮ１とＢＵＲＮ２を正確に計算することができる。結果として、燃焼期間ＢＵＲＮ１とＢＵＲＮ２に基づき計算される基本点火時期ＭＢＴＣＡＬも高精度に計算することができる。また、燃焼期間ＢＵＲＮを温度や圧力が大きく影響を受けやすい火炎核成長期間に相当する初期燃焼期間ＢＵＲＮ１と、温度や圧力の影響の少ない主燃焼期間とに分けて計算しているので、燃焼期間ＢＵＲＮの計算精度が向上する。燃焼期間ＢＵＲＮを３以上にさらに分割することで、計算精度のさらなる向上も可能である。
【００８９】
なお、ここでは初期燃焼期間ＢＵＲＮ１の計算に用いる燃焼速度ＦＬＡＭＥ１を層流燃焼速度ＳＬ１と乱れ強さＳＴ１の積として、また主燃焼期間ＢＵＲＮ２の計算に用いる燃焼速度ＦＬＡＭＥ２を層流燃焼速度ＳＬ２と乱れ強さＳＴ２の積としてそれぞれ計算しているが、特開平１０−３０５３５号公報に記載されているように加算による計算方法で求めても良い。また、初期燃焼期間を燃焼質量割合でゼロから２％まで（つまりＢＲ１＝２％）、主燃焼期間を燃焼質量割合で２〜６０％まで（つまりＢＲ２＝５８％）と規定したが、本発明は必ずしもこの数値に限定されるものでない。
【００９０】
次に、ノック限界の点火時期ＫＮＫＣＡＬの算出につき図１５〜図１８を用いて説明する。
【００９１】
図１５は算出手法を示すフローチャートである。図において、まずステップ６１にて燃料がハイオクタンガソリンかレギュラーガソリンかを判定する。この判定手法は種々公知であり、例えばノックセンサを用いた点火時期フィードバック制御により行う。次いで、この判定結果に応じて、ハイオクガソリンであった場合にはステップ６２にて、レギュラーガソリンであった場合にはステップ６３にて、それぞれのマップからノック限界に対応する点火時期補正量の基本値ＫＮＭ［ｄｅｇ］を求める。図１６に前記マップの一例を示す。図示したようにこのマップはエンジン回転速度Ｎｅと負荷（燃料噴射量）ＴｐをパラメータとしてＫＮＭの値が割り付けられている。一般に低回転高負荷ほどノッキングが発生しやすいため小さい値つまり遅角側の値が設定されるが、同一回転速度・負荷であっても、燃料オクタン価が高いほど値は大きくなる。
【００９２】
次いで、ステップ６４にて次式により吸入混合気の温度Ｔ０ａ[Ｋ]を求める。
【００９３】
Ｔ０ａ＝Ｔａ×ＷＴＴＡ＃＋Ｔｗ（１−ＷＴＴＡ＃） … （２４）
ただし、Ｔａ：吸気温度［Ｋ］、
Ｔｗ：冷却水温度［Ｋ］
ＷＴＴＡ＃：エンジンに応じて定めた常数
このＴ０ａはエンジンの冷却水温度Ｔｗと吸気温度Ｔａの間を内分するある値となる。すなわち、シリンダに吸入された吸気の温度は、外気の温度（≒Ｔａ）に対し、吸気系でのエンジン温度の影響で温度上昇することから、これを冷却水温度Ｔｗで補正している。
【００９４】
次のステップ６５では、前記吸入混合気温度Ｔ０ａから図１７に示したようなテーブルを参照して温度による補正量ＫＮＴ［ｄｅｇ］を求める。さらに、ステップ６６にて、既知の手法により求めた湿度（水蒸気分圧）から図１８に示したようなテーブルを参照して湿度による補正量ＫＮＷ［ｄｅｇ］を求める。前記各補正量ＫＮＴ、ＫＮＷは図示したように単純な線形特性で変化するので、対応する一次関数を設定して計算により求めるようにしてもよい。なお、吸入混合気温度Ｔ０ａの代わりに、式（１４）で求めた燃焼室温度Ｔ０を用いて温度補正量ＫＮＴを設定するようにしてもよい。
【００９５】
最後に、ステップ６７にて前述のＫＮＭ、ＫＮＴ、ＫＮＷを加算したものをノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬとして設定する。
【００９６】
次に、燃焼限界の点火時期ＣＣＬＣＡＬの算出につき図１９〜図２２を用いて説明する。
【００９７】
図１９は算出手法を示すフローチャートである。図において、まずステップ７１にて、図２０に示したマップを参照して基本値ＣＣＬ［ｄｅｇ］を求める。パラメータはエンジン回転速度Ｎｅと負荷Ｔｐである。一般に、低回転低負荷時ほど混合気の流速が低く、シリンダ内残留ガスと新気との混合が悪いため燃焼火炎が伝搬しにくいことから、安定燃焼する限界点火時期はマップに示されるように遅角側に移動する。
【００９８】
次いで、ステップ７２にて、前出の式（２４）にて求めた吸入混合気温度Ｔ０ａ（または燃焼室温度Ｔ０）から図２１に示したテーブルを参照して温度による補正量ＣＣＬＴ［ｄｅｇ］を求める。高温時ほど燃焼安定性が高くなることから、テーブルの特性も図示したように高温時ほどＣＣＬＴの値が大きくなるように設定されている。
【００９９】
次に、ステップ７３にて、吸気系にスワールコントロールバルブを備える場合に、その開度に応じた補正量ＣＣＬＳ［ｄｅｇ］を求める。スワールコントロールバルブは、エンジン吸入ポート部の開口面積を制約することによりシリンダ内に流入する吸入混合気の流速を高める装置である。その開度を減じるほど吸気流速が速くなり、新気と残留ガスとの混合が促されることなどから燃焼限界も進角側に移動する。そこで、図２２に示したように、スワールコントロールバルブの開度が小さくなるほど進角側の値を与えるように設定されたテーブルを参照することでＣＣＬＳを設定する。
【０１００】
図２１および図２２の特性も線形であるので、テーブル検索ではなく関数式を演算する手法によりＣＣＬＴ、ＣＣＬＳを求めるようにしてもコントローラの演算負荷を過大にするおそれはない。
【０１０１】
最後のステップ７４にて前述のＣＣＬ、ＣＣＬＴ、ＣＣＬＳを加算したものを燃焼安定限界点火時期ＣＣＬＣＡＬとして設定する。
【０１０２】
前述のようにして求められた基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ、ノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬ、燃焼限界点火時期ＣＣＬＣＡＬのうち、図１４により説明したように最小のもの、すなわち最も遅角側の点火時期を与えるものが外乱に対応した点火時期最小値ＰＡＤＶとして選択され、この点火時期最小値ＰＡＤＶに対して各種の補正を施して算出された点火時期指令値ＱＡＤＶが図２の点火時期制御部６１に付与される。
【０１０３】
この実施形態ではＭＢＴを与える基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ、ノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬ、燃焼限界点火時期ＣＬＣＣＡＬの三者を比較して最小のものを選択するようにしているが、基本点火時期ＭＢＴＣＡＬと、ノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬまたは燃焼限界点火時期ＣＬＣＣＡＬの何れか一方とを比較して、より小さいほうを最適点火時期最小値ＰＡＤＶとして選択するようにしてもよい。
【０１０４】
このようにして、基本点火時期ＭＢＴＣＡＬを基本としてこれをノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬまたは燃焼限界点火時期ＣＬＣＣＡＬと比較し、最遅角となる点火時期を選択する構成とすることにより、外乱によって変動する点火時期の特性からより適切なものを比較的簡単な演算処理により求めて適切に点火時期を制御することが可能となる。
【０１０５】
図２３〜図２５は本発明の点火時期算出手法に関する第２の実施形態を示している。この実施形態は、前提となるエンジンシステムおよび点火時期システムの構成は図１または図２に示したものと同じであるが、既出の基本点火時期ＭＢＴＣＡＬの演算に用いた主燃焼期間（ＢＵＲＮ２）をノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬの算出にも適用することにより、より物理モデルに近い形で高精度に最適点火時期値ＰＡＤＶを求められるようにした点で第１の実施形態と相違する。
【０１０６】
図２３に沿って説明すると、まずステップ８１にてシリンダ内で排気されずに残る残留ガスの量ＭＡＳＳＺと温度Ｔｅを算出する。残留ガス量ＭＡＳＳＺは燃焼室容積分の残ガス量と吸排気弁オーバーラップ中に排気系から吸気系へ逆流した排気ガスの量を加算して求めることができる。温度Ｔｅは吸入空気量等から近似的にテーブルで求めることができる。何れも算出手法そのものは例えば特開２００１−２２１１０５号公報等により公知である。
【０１０７】
続いて、ステップ８２にて、エアフローメータ３２、吸気温度センサ４３（図１参照）の出力結果からそれぞれ新気の量ＭＡＳＳＡとその温度Ｔａを読み込む。
【０１０８】
次に、ステップ８３では、前記ＭＡＳＳＺ、Ｔｅ、ＭＡＳＳＡ、Ｔａを用いて、次の（２５）式、（２６）式により、それぞれ圧縮開始時（吸気弁閉時）の混合気の量ＭＡＳＳＣ、混合気温度Ｔｃ０を求める。
また、圧縮開始時の圧力Ｐｃ０を、吸気圧力センサ４４（図１参照）の出力結果から求める。圧力Ｐｃ０は、吸入空気量と回転速度から予測した値を用いてもよい。
【０１０９】
次のステップ８４では、既述した手法によりＭＢＴとなる基本点火時期ＭＢＴＣＡＬを求める。なお、この実施形態では前記ＭＢＴＣＡＬの演算過程（図１２）で求めた主燃焼期間ＢＵＲＮ２を燃焼速度の代表値として後の演算に用いている。
【０１１０】
ステップ８５以降は、ノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬの計算をするためのフローである。まずステップ８５にてノック指標値ＭＢＴＫＮを求める。ノック指標値ＭＢＴＫＮはＭＢＴ時の燃焼圧最大値クランク角から温度最高値クランク角近傍での瞬間的な自己着火時間(ｍｓ)であり、ここでは圧力最大値を示すクランクアングルを１３ｄｅｇＡＴＤＣ(以下、θＰＭＡＸ＝１３度と表す。)に設定した場合の例を、図２６のタイムチャートを参照しながら説明する。最初にθＰＭＡＸ＝１３度での平均温度Ｔｃと圧力Ｐｃとをそれぞれ次の（２７）式、（２８）式から求める。
ただし、ε ：圧縮比率、
Ｑ ：燃焼発熱量、
ＴＵＰ＃：温度上昇係数、
ｐｔ ：ポリトロープ指数＝１．３５
ＶＵＰ＃：ガス容積変化率
圧縮比率εは、吸気弁閉時(ＩＶＣ)の容積の、θＰＭＡＸ＝１３度時の容積に対する比率である。吸気弁の開閉時期を制御可能な可変吸気弁機構を備えたエンジンではその制御値から求めればよいし、開閉時期固定であれば既知の定数として設定すればよい。さらに精度を上げるには実質吸気量が確定するＩＶＣ=実効ＩＶＣを用いればよいが、それは回転速度によってクランク角で進角方向に移動するため、回転速度からεを求める手法としてもよい。
【０１１１】
燃焼発熱量Ｑは、θＰＭＡＸ＝１３度での燃焼割合を６０％としたときの混合気の燃焼による発熱量である。
【０１１２】
温度上昇係数ＴＵＰ＃は、前記燃焼発熱量ＱがＭＡＳＳＣの量の混合気を加熱するときの計算に適用する係数である。ＴＵＰ＃にはもちろん比熱分も含まれる。
【０１１３】
ガス容積変化率ＶＵＰ＃は、ガソリンと空気の混合気が６０％燃焼して燃焼途中のガスになったときの分子量変化によるガス容積変化率である。具体的には、1より若干大きな値(例えば１．０３程度)を適用すればよい。
【０１１４】
また、ピストンの上昇と燃焼ガスの昇温膨張で圧縮された未燃混合気の温度Ｔを、次式から求める。
Ｔ＝Ｔｃ０×εpt-1（Ｔｃ／Ｔｃ０×εpt-1）pt-1 ［Ｋ］… （２９）
最後に、前述のようにして求めたθＰＭＡＸ＝１３度での圧力Ｐｃと未燃混合気温度Ｔを用いて、次式からノック指標値ＭＢＴＫＮを求める。
ＭＢＴＫＮ＝ＯＣＴ×Ｐｃ-1.7×ｅｘｐ（３８００／Ｔ）［ｍｓ］… （３０）
式中のＯＣＴは燃料のオクタン価によって決まる係数であり、例えばハイオクタンガソリンで１５程度、レギュラーガソリンで１０程度の値を用いる。この式は素反応の自己着火時間を求める式であり、基本的に従来から知られているものに基づいている。
【０１１５】
次のステップ８６では、ノック指標値ＭＢＴＫＮに対する燃焼速度補正係数ＫＮＦＬＶを求める。エンジンのノッキングの発生においては温度・圧力が時々刻々と変化するため、実際の自己着火時間は温度・圧力が高く保持される時間の影響を強く受けるので、燃焼が早いとノックが起きにくく、遅いとノッキングが起きやすい。そこでこの実施形態では、ＭＢＴ計算で求めた主燃焼期間ＢＵＲＮ２を用いて前記補正係数ＫＮＦＬＶを求める。その特性例を図２４に示すが、主燃焼期間ＢＵＲＮ２が長い、つまり燃焼が遅いと小さな値となり、ノッキングが起きやすい方向に補正される特性となっている。
【０１１６】
次に、ステップ８７にて、前記ＭＢＴＫＮとＫＮＦＬＶを用いたマップ検索により、トレースノックを得るためのＭＢＴからの遅角量ＫＮＲＴを求める。図２５にその特性例を示すが、縦軸ＭＢＴＫＮ×ＫＮＦＬＶで割り付けられ、横軸回転速度Ｎｅで割り付けられたマップから遅角量ＫＮＲＴを求める。これは縦軸の数値が増大するほど、回転速度が低下するほど、遅角量が増大する特性となっている。
【０１１７】
次のステップ８８で、次式からノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬを求める。
ＫＮＫＣＡＬ＝ＭＢＴＣＡＬ−ＫＮＲＴ … （３１）
ステップ８９，９０では、ＭＢＴＣＡＬとＫＮＫＣＡＬのうちから小さい方つまり遅角側のものを点火時期最小値ＰＡＤＶとして選択し、これに各種の補正を加えたものを図２の点火時期制御部６１に引き渡す点火時期指令値ＱＡＤＶとして設定して今回の処理を終了する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジンの制御システム図。
【図２】エンジンコントローラで実行される点火時期制御のブロック図。
【図３】燃焼室の圧力変化図。
【図４】燃焼質量割合の変化を説明する特性図。
【図５】物理量の計算を説明するためのフローチャート。
【図６】エンジンのクランクシャフトとコネクティングロッドの位置関係を説明するダイアグラム。
【図７】水温補正係数の特性図。
【図８】当量比補正係数の特性図。
【図９】基準クランク角の特性図。
【図１０】初期燃焼期間の計算を説明するためのフローチャート。
【図１１】温度上昇率の特性図。
【図１２】主燃焼期間の計算を説明するためのフローチャート。
【図１３】基本点火時期の計算を説明するためのフローチャート。
【図１４】本発明による点火時期制御に係る第一の実施形態の処理手順を表したフローチャート。
【図１５】ノック限界点火時期の計算を説明するためのフローチャート。
【図１６】ノック限界点火時期の基本値を与えるマップの説明図。
【図１７】ノック限界点火時期に対する温度補正量を与えるテーブルの説明図。
【図１８】ノック限界点火時期に対する湿度補正量を与えるテーブルの説明図。
【図１９】燃焼限界点火時期の計算を説明するためのフローチャート。
【図２０】燃焼限界点火時期の基本値を与えるマップの説明図。
【図２１】燃焼限界点火時期に対する温度補正量を与えるテーブルの説明図。
【図２２】燃焼限界点火時期に対してスワールコントロールバルブ開度に応じた補正量を与えるテーブルの説明図。
【図２３】本発明による点火時期制御に係る第二の実施形態の処理手順を表したフローチャート。
【図２４】ノック指標値の特性図。
【図２５】トレースノックを与えるＭＢＴからの遅角量の特性図。
【図２６】第二の実施形態の制御に係るタイムチャート。
【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
２７ 吸気ＶＴＣ機構
２８ 排気ＶＴＣ機構
３１ エンジンコントローラ
３３、３４ クランク角センサ
４３ 吸気温度センサ
４４ 吸気圧力センサ
４５ 排気温度センサ
４６ 排気圧力センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式エンジンの点火時期制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の点火時期制御装置として、特許文献１に示したようなものが知られている。この種の従来の点火時期制御装置では、エンジンの回転数や負荷などの運転状態信号に基づいて定めた基本点火時期を冷却水温度や燃焼の速さなどを考慮した所定の補正を施すことにより基本的に最大トルク点であるＭＢＴの付近に点火時期を制御するようにしている。ただし、制御目標となるのは常にＭＢＴというわけではなく、例えばノッキングが発生する領域ではトレースノックとなるようにＭＢＴよりも遅らせた点火時期となるように補正する必要があり、低回転低負荷の領域ではＭＢＴでは燃焼安定度が低下して吹き消えによる部分燃焼や失火が発生し、またＨＣ排出量も多いことから、やはり点火時期リタードが必要となる。このような点火時期補正には、例えば回転と負荷で補正量を割り付けたトリミングマップを参照する手法が用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平10-30535号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの運転環境ないしは運転条件の変化、あるいは機器類のバラツキや劣化によりノッキング特性や燃焼安定度が変化した場合には、これに対応するように点火時期を補正しようとすると、そのような外乱因子が作用する領域を正確に特定できないため、余計な領域まで補正して燃費や排気性能を損なうおそれが生じる。もしこのような外乱因子に対して正確な点火時期補正を実施しようとすると、判定条件が増加して制御ロジックが複雑化し、あるいは事前のマッチングに非常に多くの工数が必要となってしまう。
【０００５】
【発明の概要】
本発明では、火花点火式エンジンの基本的な点火時期の要素として、ＭＢＴ点火時期と燃焼安定限界点火時期とをそれぞれ運転状態に応じて求め、これらのうち遅いほうに基づいて点火時期制御を行う。これにより、ＭＢＴまたは燃焼安定限界点火時期のいずれかが外乱により変化したとしてもそれぞれを別個に補正した結果として、燃費および排気性能の点からより好ましい点火時期を設定することが可能となる。またこの場合、外乱に対する補正を演算により行うので、比較的簡単なロジックおよび工数で最適点火時期制御を実現することができる。
【０００６】
前記ＭＢＴ点火時期またはノック限界点火時期は、それぞれシリンダ内混合気の燃焼速度を用いて算出することができ、これによりメモリ容量や演算時間などの演算負荷を少なくしながら精度の高い演算結果を得ることができる。
【０００７】
外乱に影響される点火時期の要素として、さらに燃焼安定限界の点火時期（以下単に燃焼限界という。）を付加することができ、これを運転状態から求めて前記ＭＢＴ点火時期、ノック限界点火時期と比較し、最も遅い点火時期を選択する構成とすることにより、さらに精度の高い点火時期制御を行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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急速に燃焼し、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。
【００１２】
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３１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。
【００１３】
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３１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。
【００１４】
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（図示しない）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。運転条件によっては燃焼室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３１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。
【００１５】
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３１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。
【００１６】
図２はエンジンコントローラ３１内で行われる点火時期制御のブロック図で、主としてＭＢＴとなる点火時期ＭＢＴＣＡＬを求める部分の詳細を示している。このシステムは、大きくは点火時期演算部５１と点火時期制御部６１とからなる。点火時期演算部５１はさらに初期燃焼期間計算部５２、主燃焼期間計算部５３、燃焼期間計算部５４、基本点火時期計算部５５、前回燃焼開始時期計算部５６、点火時期指令値計算部５７からなる。
【００１７】
初期燃焼期間計算部５２では、混合気が着火してから火炎核が形成されるまでの期間を初期燃焼期間ＢＵＲＮ１として計算する。主燃焼期間計算部５３では、火炎核が形成されてから燃焼圧力が最大値Ｐｍａｘに達するまでの期間を主燃焼期間ＢＵＲＮ２として計算する。燃焼期間計算部５４では、これら初期燃焼期間ＢＵＲＮ１と主燃焼期間ＢＵＲＮ２との合計を、点火より最大燃焼圧力Ｐｍａｘに至るまでの燃焼期間ＢＵＲＮとして計算する。基本点火時期計算演算部５５では、この燃焼期間ＢＵＲＮに基づいてＭＢＴの得られる点火時期（この点火時期を「基本点火時期」という。）ＭＢＴＣＡＬを計算する。
【００１８】
点火時期指令値計算部５７では、図１４のフローに示したように、前記ＭＢＴＣＡＬを基本として、これを後述する手法により算出したノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬさらには燃焼限界点火時期ＣＣＬＣＡＬと比較し、これらのうち最小値（最も遅い点火時期）を点火時期最小値ＰＡＤＶとして選択し、この点火時期最小値ＰＡＤＶに各種の補正を加えて点火時期指令値ＱＡＤＶを算出して点火時期制御部６１に出力する。なお、図１４を含めて、以下の説明にて使用するフローチャートは一定時間、例えば約１０ｍｓ周期でコントローラ３１により繰り返し実行される演算処理の手順を表している。
【００１９】
点火時期制御部６１ではこのようにして求められた点火時期指令値ＱＡＤＶで点火プラグ１４が燃焼室５内の混合気に対して着火するように、イグニッションコイル１３への通電角と非通電角を制御する。
【００２０】
以下、前述した基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ、ノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬ、燃焼限界点火時期ＣＣＬＣＡＬの算出手法の一例につき、さらに詳細に説明する。
【００２１】
図３に示すようにＭＢＴ（最大トルクの得られる最小進角値）で混合気に点火した場合に混合気の燃焼圧力が最大値Ｐｍａｘとなるべきクランク角を基準クランク角θＰＭＡＸ［ｄｅｇＡＴＤＣ］とする。基準クランク角θＰＭＡＸは燃焼方式によらずほぼ一定であり、一般に１２〜１５度、最大で１０〜２０度の範囲内にある。
【００２２】
図４に火花点火エンジンにおける燃焼室内の燃焼解析により得られた燃焼質量割合Ｒの変化を示す。燃焼室に供給された燃料に対する燃焼質量の比率を表す燃焼質量割合Ｒは、点火時に０％であり、完全燃焼によって１００％に達する。基準クランク角θＰＭＡＸにおける燃焼質量割合Ｒｍａｘは一定で約６０％である。
【００２３】
燃焼質量割合Ｒが０％から基準クランク角θＰＭＡＸ相当の約６０％に達するまでの燃焼期間は、点火直後で燃焼質量割合にも燃焼圧力にもほとんど変化のない期間である初期燃焼期間と、燃焼質量割合と燃焼圧力が急激に増加する主燃焼期間とに分けられる。初期燃焼期間は、燃焼の開始から火炎核が形成されるまでの段階であり、火炎核が形成されるのは燃焼質量割合で２％〜１０％のタイミングである。この期間中は、燃焼圧力や燃焼温度の上昇速度が小さく、燃焼質量割合の変化に対して初期燃焼期間は長い。初期燃焼期間の長さは燃焼室内の温度や圧力の変化の影響を受けやすい。
【００２４】
一方、主燃焼期間においては、火炎核から外側域へと火炎が伝播し、燃焼速度が急上昇する。そのため、主燃焼期間の燃焼質量割合の変化は初期燃焼期間の燃焼質量割合の変化に比べて大きい。
【００２５】
エンジンコントローラ３１では、燃焼質量割合が２％に達するまでを初期燃焼期間ＢＵＲＮ１［ｄｅｇ］とし、初期燃焼期間ＢＵＲＮ１の終了後、基準クランク角θＰＭＡＸに至るまでの区間（燃焼室量割合でいえば２％より約６０％に達するまでの間）を主燃焼期間ＢＵＲＮ２［ｄｅｇ］として区別する。そして、初期燃焼期間ＢＵＲＮ１に主燃焼期間ＢＵＲＮ２を加えた合計である燃焼期間ＢＵＲＮ［ｄｅｇ］を計算し、この燃焼期間ＢＵＲＮから基準クランク角θＰＭＡＸ［ｄｅｇＡＴＤＣ］を差し引き、さらに後述する点火時期無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤ［ｄｅｇ］を加えたクランク角位置を、ＭＢＴの得られる点火時期である基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］として設定する。
【００２６】
火炎核の形成される初期燃焼期間での燃焼室５内の圧力、温度は、点火時の圧力、温度とほぼ等価になるが、これから点火時期を計算しようとしているのに、最初から正確な点火時期を設定することはできない。そこで、図２に示したように前回燃焼開始時期計算部５６で基本点火時期の前回値を前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］として計算し、この値を初期燃焼期間計算部５２に対して与えるようにし、初期燃焼期間計算部５２において初期燃焼期間の計算をサイクリックに繰り返すことで、精度の高い結果を時間遅れなしに出すようにしている。
【００２７】
次に、エンジンコントローラ３１で実行される点火時期指令値ＱＡＤＶの計算を以下のフローチャートを参照しながら詳述する。
【００２８】
図５は点火時期の計算に必要な各種の物理量を計算するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００２９】
まずステップ１１では、吸気弁閉時期ＩＶＣ［ｄｅｇＢＴＤＣ］、温度センサ４３により検出されるコレクタ内温度ＴＣＯＬ［Ｋ］、温度センサ４５により検出される排気温度ＴＥＸＨ［Ｋ］、内部不活性ガス率ＭＲＥＳＦＲ［％］、温度センサ３７により検出される冷却水温ＴＷＫ［Ｋ］、目標当量比ＴＦＢＹＡ、クランク角センサにより検出されるエンジン回転速度ＮＲＰＭ［ｒｐｍ］、点火無駄時間ＤＥＡＤＴＩＭＥ［μｓｅｃ］を読み込む。
【００３０】
ここで、クランク角センサはクランクシャフト７のポジションを検出するポジションセンサ３３と、吸気用カムシャフト２５ポジションを検出するフェーズセンサ３４とからなり、これら２つのセンサ３３、３４からの信号に基づいてエンジン回転速度ＮＲＰＭ［ｒｐｍ］が計算されている。
【００３１】
吸気弁閉時期ＩＶＣは吸気ＶＴＣ機構２７に与える指令値から既知である。あるいはフェーズセンサ３４により実際の吸気弁閉時期を検出してもかまわない。
【００３２】
内部不活性ガス率ＭＲＥＳＦＲは燃焼室内に残留する不活性ガス量を燃焼室内の総ガス量で除した値で、その算出手法は例えば特開２００１−２２１１０５号公報等により知られている。点火無駄時間ＤＥＡＤＴＩＭＥは一定値である。
【００３３】
目標当量比ＴＦＢＹＡは図示しない燃料噴射量の計算フローにおいて計算されている。目標当量比ＴＦＢＹＡは無名数であり、理論空燃比を１４．７とすると、次式により表される値である。
【００３４】
ＴＦＢＹＡ＝１４．７／目標空燃比 … （１）
例えば（１）式より目標空燃比が理論空燃比のときＴＦＢＹＡ＝１．０となり、目標空燃比が例えば２２．０といったリーン側の値であるとき、ＴＦＢＹＡは１．０未満の正の値である。
【００３５】
ステップ１２では、燃焼室５の吸気弁閉時期ＩＶＣにおける容積（つまり圧縮開始時期での容積）ＶＩＶＣ［ｍ3］を計算する。燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣは、ピストン６のストローク位置によって決まる。ピストン６のストローク位置はエンジンのクランク角位置によって決まる。
【００３６】
図６を参照して、エンジンのクランクシャフト７１の回転中心７２がシリンダの中心軸７３からオフセットしている場合を考える。コネクティングロッド７４、コネクティングロッド７４とクランクシャフト７１との結節点７５、コネクティングロッド７４とピストンをつなぐピストンピン７６が図に示す関係にあるとする。このときの、燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣは次式（２）〜（６）で表すことができる。
【００３７】
ε ：圧縮比、
Ｄ ：シリンダボア径［ｍ］、
ＳＴ ：ピストンの全ストローク［ｍ］、
Ｈ ：ピストンピン７６のＴＤＣからの距離［ｍ］、
ＣＮＤ ：コネクティングロッド７４の長さ［ｍ］、
ＣＲoff ：結節点７５のシリンダ中心軸７３からのオフセット距離［ｍ］、
ＰＩＳoff ：クランクシャフト回転中心７２のシリンダ中心軸７３からのオフセット距離［ｍ］、
θivc ：吸気弁閉時期のクランク角［ｄｅｇＡＴＤＣ］、
θoff ：ピストンピン７６とクランクシャフト回転中心７２とを結ぶ線がＴＤＣにおいて垂直線となす角度［ｄｅｇ］、
Ｘ ：結節点７５とピストンピン７６との水平距離［ｍ］
吸気弁閉時期のクランク角θivcは前述のように、エンジンコントローラ３１から吸気ＶＴＣ機構２７への指令信号によって決まるので、既知である。式（２）〜（６）にこのときのクランク角θivc（＝ＩＶＣ）を代入すれば、燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣを計算することができる。したがって、実用上は燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣは吸気弁閉時期ＩＶＣをパラメータとするテーブルで設定したものを用いる。吸気ＶＴＣ機構２７を備えないときには定数で与えることができる。
【００３８】
ステップ１３では、燃焼室５の吸気弁閉時期ＩＶＣにおける温度（つまり圧縮開始時期温度）ＴＩＮＩ［Ｋ］を計算する。燃焼室５の吸気弁閉時期ＩＶＣにおける温度ＴＩＮＩは、燃焼室５に流入する新気と燃焼室５に残留する不活性ガスとが混じったガスの温度であり、燃焼室５に流入する新気の温度は吸気コレクタ２内の新気温度ＴＣＯＬに等しく、また燃焼室５内に残留する不活性ガスの温度は排気ポート部近傍の排気温度ＴＥＸＨで近似できるので、吸気コレクタ２内の新気温度ＴＣＯＬ、排気温度ＴＥＸＨ、燃焼室５内に残留する不活性ガスの割合である内部不活性ガス率ＭＲＥＳＦＲから次式により求めることができる。
【００３９】
ＴＩＮＩ＝ＴＥＸＨ×ＭＲＥＳＦＲ＋ＴＣＯＬ×（１−ＭＲＥＳＦＲ）… （７）
ステップ１４では、燃焼室５内の混合気の燃えやすさを表す反応確率ＲＰＲＯＢＡ［％］を計算する。反応確率ＲＰＲＯＢＡは無次元の値であり、残留不活性ガス率ＭＲＥＳＦＲ、冷却水温ＴＷＫ［Ｋ］、目標当量比ＴＦＢＹＡの３つのパラメータに依存するので、次式により表すことができる。
【００４０】
ＲＰＲＯＢＡ＝ｆ３（ＭＲＥＳＦＲ、ＴＷＫ、ＴＦＢＹＡ） … （８）
具体的に説明すると、ＭＲＥＳＦＲ、ＴＷＫ、ＴＦＢＹＡの３つのパラメータの組み合わせによって得られる反応確率の最大値を１００％とし、これらのパラメータと反応確率ＲＰＲＯＢＡの関係を実験的に求め、求めた反応確率ＲＰＲＯＢＡをパラメータに応じたテーブルとしてエンジンコントローラ３１のメモリに予め格納しておく。ステップ１４ではパラメータに応じてこのテーブルを検索することにより反応確率ＲＰＲＯＢＡを求める。
【００４１】
具体的には、冷却水温ＴＷＫに応じて図７に示すような特性を有する水温補正係数のテーブルと、同様に設定された内部不活性ガス率補正係数のテーブル（図示しない）と、目標当量比Ｔｆｂｙａに応じて図８に示すような特性を有する当量比補正係数のテーブルを予めメモリに格納しておく。各補正係数の最大値はそれぞれ１．０であり、３種類の補正係数の積に反応確率の最大値１００％を掛け合わせることで、反応確率ＲＰＲＯＢＡを算出する。
【００４２】
各テーブルを説明すると、図７に示す水温補正係数は冷却水温ＴＷＫが高いほど大きく、冷却水温ＴＷＫが８０℃以上では１．０になる。図８に示す当量比補正係数は目標当量比ＴＦＢＹＡが１．０のとき、つまり理論空燃比のときに最大値の１．０となり、目標当量比が１．０より大きくても小さくても当量比補正係数は減少する。内部不活性ガス率補正係数は図示しないが、内部不活性ガス率ＭＲＥＳＦＲがゼロの場合に１．０となる。
【００４３】
ステップ１５では、基準クランク角θＰＭＡＸ［ｄｅｇＡＴＤＣ］を計算する。前述のように基準クランク角θＰＭＡＸはあまり変動しないが、それでもエンジン回転速度ＮＲＰＭの上昇に応じて進角する傾向があるため、基準クランク角θＰＭＡＸはエンジン回転速度ＮＲＰＭの関数として次式で表すことができる。
【００４４】
θＰＭＡＸ＝ｆ４（ＮＲＰＭ） … （９）
具体的にはエンジン回転速度ＮＲＰＭから、エンジンコントローラ３１のメモリに予め格納された図９に示す特性のテーブルを検索することにより基準クランク角θＰＭＡＸを求める。計算を容易にするために、基準クランク角θＰＭＡＸを一定とみなすことも可能である。
【００４５】
最後にステップ１６では、点火無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤ［ｄｅｇ］を計算する。点火無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤは、エンジンコントローラ３１から点火コイル１３の一次電流を遮断する信号を出力したタイミングから点火プラグ１４が実際に点火するまでのクランク角区間で、次式により表すことができる。
【００４６】
ＩＧＮＤＥＡＤ＝ｆ５（ＤＥＡＤＴＩＭＥ、ＮＲＰＭ） … （１０）
ここでは、点火無駄時間ＤＥＡＤＴＩＭＥを２００μｓｅｃとする。（１０）式は、エンジン回転速度ＮＲＰＭから点火無駄時間ＤＥＡＤＴＩＭＥに相当するクランク角である点火無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤを計算するためのものである。
【００４７】
図１０は初期燃焼期間ＢＵＲＮ１［ｄｅｇ］を計算するためのもの、また図１２は主燃焼期間ＢＵＲＮ２［ｄｅｇ］を計算するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。図１０、図１２は図５に続けて実行する。
図１０、図１２はどちらを先に実行してもかまわない。
【００４８】
まず図１０から説明すると、ステップ２１では、前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］、図５のステップ１２で計算されている燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣ［ｍ3］、図５のステップ１３で計算されている燃焼室５の吸気弁閉時期における温度ＴＩＴＩ［Ｋ］、エンジン回転速度ＮＲＰＭ［ｒｐｍ］、図５のステップ１４で計算されている反応確率ＲＰＲＯＢＡ［％］を読み込む。
【００４９】
ここで、前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬは、基本点火時期ＭＢＴＣＡＬの［ｄｅｇＢＴＤＣ］の１サイクル前の値であり、その計算については後述する。
【００５０】
ステップ２２では燃焼室５の燃焼開始時期における容積Ｖ０［ｍ3］を計算する。前述したように、ここでの点火時期（燃焼開始時期）は今回のサイクルで演算する基本点火時期ＭＢＴＣＡＬではなく基本点火時期の１サイクル前の値である。すなわち、基本点火時期の１サイクル前の値であるＭＢＴＣＹＣＬから次式により燃焼室５の燃焼開始時期における容積Ｖ０を計算する。
【００５１】
Ｖ０＝ｆ６（ＭＢＴＣＹＣＬ） … （１１）
具体的には前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬにおけるピストン６のストローク位置と、燃焼室５のボア径から、燃焼室５のＭＢＴＣＹＣＬにおける容積Ｖ０を計算する。図５のステップ１２では、燃焼室５の吸気弁閉時期ＩＶＣにおける容積ＶＩＶＣを、吸気弁閉時期をパラメータとする吸気弁閉時期容積のテーブルを検索することにより求めたが、ここではＭＢＴＣＹＣＬをパラメータとする前回燃焼開始時期容積のテーブルを検索することにより、燃焼室５の前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬにおける容積Ｖ０を求めればよい。
【００５２】
ステップ２３では燃焼開始時期における有効圧縮比Ｅｃを計算する。有効圧縮比Ｅｃは無次元の値であり、次式に示すように燃焼室５の燃焼開始時期における容積Ｖ０を燃焼室５の吸気弁閉時期における容積ＶＩＶＣで除した値である。
【００５３】
Ｅｃ＝ｆ７（Ｖ０、ＶＩＶＣ）＝Ｖ０／ＶＩＶＣ … （１２）
ステップ２４では吸気弁閉時期ＩＶＣから燃焼開始時期に至る間の燃焼室５内の温度上昇率ＴＣＯＭＰを次式に示すように有効圧縮比Ｅｃに基づいて計算する。
【００５４】
ＴＣＯＭＰ＝ｆ８（Ｅｃ）＝Ｅｃ＾（κ−１） … （１３）
ただし、κ：比熱比
（１３）式は断熱圧縮されるガスの温度上昇率の式である。なお、（１３）式右辺の「＾」は累乗計算を表している（以下、同様）。
【００５５】
κは断熱圧縮されるガスの定圧比熱を定容比熱で除した値で、断熱圧縮されるガスが空気であればκ＝１．４であり、簡単にはこの値を用いればよい。ただし、混合気に対してκの値を実験的に求めることで、一層の計算精度の向上が可能である。
【００５６】
図１１は（１３）式を図示したものである。従って、このような特性のテーブルを予めエンジンコントローラ３１のメモリに格納しておき、有効圧縮比Ｅｃに基づき当該テーブルを検索することにより温度上昇率ＴＣＯＭＰを求めることも可能である。
【００５７】
ステップ２５では、燃焼室５の燃焼開始時期における温度Ｔ０［Ｋ］を、燃焼室５の吸気弁閉時期における温度ＴＩＮＩに温度上昇率ＴＣＯＭＰを乗じることで、つまり
Ｔ０＝ＴＩＮＩ×ＴＣＯＭＰ … （１４）
の式により計算する。
【００５８】
ステップ２６では、次式（公知）により層流燃焼速度ＳＬ１［ｍ／ｓｅｃ］を計算する。
【００５９】
ＳＬ１＝ＳＬstd×（Ｔ０×Ｔstd）2.18×（Ｐ０／Ｐstd）-0.16…（１５）
ただし、Ｔstd ：基準温度［Ｋ］、
Ｐstd ：基準圧力［Ｐａ］、
ＳＬstd：基準温度Ｔstdと基準圧力Ｐstdにおける基準層流燃焼速度［ｍ／ｓｅｃ］、
Ｔ０ ：燃焼室５の燃焼開始時期における温度［Ｋ］、
Ｐ０ ：燃焼室５の燃焼開始時期における圧力［Ｐａ］
基準温度Ｔstdと基準圧力Ｐstdと基準層流燃焼速度ＳＬstdは実験により予め定められる値である。
【００６０】
燃焼室５の通常の圧力である２ｂａｒ以上の圧力下では、（１５）式の圧力項（Ｐ０／Ｐstd）-0.16は小さな値となる。従って、圧力項（Ｐ０／Ｐstd）-0.16を一定値として、基準層流燃焼速度ＳＬstdを基準温度Ｔstdのみで規定することも可能である。
【００６１】
従って、基準温度Ｔstdが５５０［Ｋ］で、基準層流燃焼速度ＳＬstdが１．０［ｍ／ｓｅｃ］で、圧力項が０．７である場合の燃焼開始時期における温度Ｔ０と層流燃焼速度ＳＬ１との関係は近似的に次式で定義することができる。
【００６２】
ＳＬ１＝ｆ９（Ｔ０）
＝１．０×０．７×（Ｔ０／５５０）2.18 … （１６）
ステップ２７では、初期燃焼におけるガス流動の乱れ強さＳＴ１を計算する。このガス流動の乱れ強さＳＴ１は無次元の値であり、燃焼室５に流入する新気の流速と燃料インジェクタ２１の噴射燃料のペネトレーションとに依存する。
【００６３】
燃焼室５に流入する新気の流速は、吸気通路の形状と、吸気弁１５の作動状態と、吸気弁１５を設ける吸気ポート４の形状に依存する。噴射燃料のペネトレーションは燃料インジェクタ２１の噴射圧力と、燃料噴射期間と、燃焼噴射タイミングに依存する。
【００６４】
最終的に、初期燃焼におけるガス流動の乱れ強さＳＴ１は、エンジン回転速度ＮＲＰＭの関数として次式で表すことができる。
【００６５】
ＳＴ１＝ｆ１０（ＮＲＰＭ）＝Ｃ１×ＮＲＰＭ … （１７）
ただし、Ｃ１：定数
乱れ強さＳＴ１を回転速度ＮＲＰＭをパラメータとするテーブルから求めることも可能である。
【００６６】
ステップ２８では層流燃焼速度Ｓ１と乱れ強さＳＴ１から、初期燃焼におけるガスの燃焼速度ＦＬＡＭＥ１［ｍ／ｓｅｃ］を次式により計算する。
【００６７】
ＦＬＡＭＥ１＝ＳＬ１×ＳＴ１ … （１８）
燃焼室５内にガス乱れがあるとガスの燃焼速度が変化する。（１８）式はこのガス乱れに伴う燃焼速度への寄与（影響）を考慮したものである。
【００６８】
ステップ２９では、次式により初期燃焼期間ＢＵＲＮ１［ｄｅｇ］を計算する。
【００６９】
ここで、（１９）式右辺のＢＲ１は燃焼開始時期より初期燃焼期間ＢＵＲＮ１の終了時期までの燃焼質量割合の変化量であり、ここではＢＲ１＝２％に設定している。（１９）式右辺の（ＮＲＰＭ×６）は単位をｒｐｍからクランク角（ｄｅｇ）に変換するための措置である。火炎核の反応面積ＡＦ１は実験的に設定される。
【００７０】
次に図１２のフローに移ると、ステップ３１では回転速度ＮＲＰＭ、図５のステップ１４で計算されている反応確率ＲＰＲＯＢＡを読み込む。
【００７１】
ステップ３２では主燃焼におけるガス流動の乱れ強さＳＴ２を計算する。このガス流動の乱れ強さＳＴ２も初期燃焼におけるガス流動の乱れ強さＳＴ１と同様に、エンジン回転速度ＮＲＰＭの関数として次式で表すことができる。
【００７２】
ＳＴ２＝ｆ１１（ＮＲＰＭ）＝Ｃ２×ＮＲＰＭ … （２０）
ただし、Ｃ２：定数
乱れ強さＳＴ２を回転速度をパラメータとするテーブルから求めることも可能である。
【００７３】
ステップ３３では、層流燃焼速度ＳＬ２［ｍ／ｓｅｃ］と主燃焼におけるガス流動の乱れ強さＳＴ２とから、主燃焼における燃焼速度ＦＬＡＭＥ２［ｍ／ｓｅｃ］を次式により計算する。
【００７４】
ＦＬＡＭＥ２＝ＳＬ２×ＳＴ２ … （２１）
ただし、ＳＬ２：層流燃焼速度［ｍ／ｓｅｃ］
（２１）式は（１８）式と同様、ガス乱れに伴う燃焼速度への寄与を考慮したものである。
【００７５】
前述のように主燃焼期間ＢＵＲＮ２の長さは燃焼室５内の温度や圧力の変化の影響を受けにくい。従って、層流燃焼速度ＳＬ２には予め実験的に求めた固定値を適用する。
【００７６】
ステップ３４では、主燃焼期間ＢＵＲＮ２［ｄｅｇ］を（１９）式に類似した次式で計算する。
【００７７】
ＡＦ２：火炎核の反応面積［ｍ2］
ここで、（２２）式右辺のＢＲ２は主燃焼期間の開始時期より終了時期までの燃焼質量割合の変化量である。初期燃焼期間の終了時期に燃焼質量割合が２％になり、その後、主燃焼期間が開始し、燃焼質量割合が６０％に達して主燃焼期間が終了すると考えているので、ＢＲ２＝６０％−２％＝５８％を設定している。ＡＦ２は火炎核の成長行程における平均の反応面積であり、（１９）式のＡＦ１と同様に、予め実験的に定めた固定値とする。燃焼室５の主燃焼期間開始時における容積Ｖ２も固定値である。
【００７８】
図１３は基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］を計算するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。図１０、図１２のうち遅く実行されるフローに続けて実行する。
【００７９】
ステップ４１では、図１０のステップ２９で計算されている初期燃焼期間ＢＵＲＮ１、図１２のステップ３４で計算されている主燃焼期間ＢＵＲＮ２、図５のステップ１６で計算されている点火時期無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤ、図５のステップ１５で計算されている基準クランク角θＰＭＡＸを読み込む。
【００８０】
ステップ４２では、初期燃焼期間ＢＵＲＮ１と主燃焼期間ＢＵＲＮ２の合計を燃焼期間ＢＵＲＮ［ｄｅｇ］として計算する。
【００８１】
ステップ４３では次式により基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］を計算する。
【００８２】
ＭＢＴＣＡＬ＝ＢＵＲＮ−θＰＭＡＸ＋ＩＧＮＤＥＡＤ … （２３）
ステップ４４では、この基本点火時期ＭＢＴＣＡＬから点火無駄時間相当クランク角ＩＧＮＤＥＡＤを差し引いた値を前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬ［ｄｅｇＢＴＤＣ］として計算する。
【００８３】
このようにして計算した基本点火時期ＭＢＴＣＡＬは、後述するノック限界もしくは燃焼限界の点火時期と比較され、これらのうちの最小値（最も近く側の値）が点火時期最小値ＰＡＤＶ［ｄｅｇＢＴＤＣ］として選択される。この点火時期最小値ＰＡＤＶに対して、早期排温上昇のための遅角化、変速時トルクダウンのための遅角化等、各種の補正を加えて、点火時期指令値ＱＡＤＶ［ｄｅｇＢＴＤＣ］を算出する。この点火時期指令値ＱＡＤＶは点火レジスタに移され、実際のクランク角がこの点火時期指令値ＱＡＤＶと一致したタイミングでエンジンコントローラ３１より一次電流を遮断する点火信号が点火コイル１３に出力される。
【００８４】
また、今サイクルの点火時期指令値としてステップ４３で計算された基本点火時期ＭＢＴＣＡＬが用いられたとすると、次サイクルの点火時期になるまでの間、ステップ４４で計算された前回燃焼開始時期ＭＢＴＣＹＣＬが図１０のステップ２２において用いられる。
【００８５】
以上のように、本実施形態においては、燃焼室５内の未燃ガス量などの質量計算を行わずにＭＢＴの得られる点火時期である基本点火時期ＭＢＴＣＡＬを計算するので、計算負荷を小さく抑えることができる。
【００８６】
また、上記（１９）式に示したように初期燃焼期間ＢＵＲＮ１を、燃焼開始時期における燃焼室容積Ｖ０と、混合気の燃焼のしやすさを表す反応確率ＲＰＲＯＢＡと、燃焼速度ＦＬＡＭＥ１の関数で表している。ここで、燃焼開始時期における燃焼室容積Ｖ０が大きいほど、反応確率ＲＰＲＯＢＡが小さいほど、燃焼速度ＦＬＡＭＥ１が遅いほど、それぞれ初期燃焼期間ＢＵＲＮ１が長くなり、結果として基本点火時期ＭＢＴＣＡＬが進角する。
【００８７】
同様に、上記（２２）式に示したように主燃焼期間ＢＵＲＮ２を、主燃焼期間の開始時期における燃焼室容積Ｖ２と、混合気のしやすさを表す反応確率ＲＰＲＯＢＡと、燃焼速度ＦＬＡＭＥ２の関数で表している。ここで、主燃焼期間開始時期における燃焼室容積Ｖ２が大きいほど、反応確率ＲＰＲＯＢＡが小さいほど、燃焼速度ＦＬＡＭＥ２が遅いほど、それぞれ主燃焼期間ＢＵＲＮ２が長くなり、結果として点火時期ＭＢＴＣＡＬが進角する。
【００８８】
このように、燃焼期間ＢＵＲＮ１とＢＵＲＮ２を、燃焼期間に影響を与える様々なパラメータの関数として計算することで、燃焼期間ＢＵＲＮ１とＢＵＲＮ２を正確に計算することができる。結果として、燃焼期間ＢＵＲＮ１とＢＵＲＮ２に基づき計算される基本点火時期ＭＢＴＣＡＬも高精度に計算することができる。また、燃焼期間ＢＵＲＮを温度や圧力が大きく影響を受けやすい火炎核成長期間に相当する初期燃焼期間ＢＵＲＮ１と、温度や圧力の影響の少ない主燃焼期間とに分けて計算しているので、燃焼期間ＢＵＲＮの計算精度が向上する。燃焼期間ＢＵＲＮを３以上にさらに分割することで、計算精度のさらなる向上も可能である。
【００８９】
なお、ここでは初期燃焼期間ＢＵＲＮ１の計算に用いる燃焼速度ＦＬＡＭＥ１を層流燃焼速度ＳＬ１と乱れ強さＳＴ１の積として、また主燃焼期間ＢＵＲＮ２の計算に用いる燃焼速度ＦＬＡＭＥ２を層流燃焼速度ＳＬ２と乱れ強さＳＴ２の積としてそれぞれ計算しているが、特開平１０−３０５３５号公報に記載されているように加算による計算方法で求めても良い。また、初期燃焼期間を燃焼質量割合でゼロから２％まで（つまりＢＲ１＝２％）、主燃焼期間を燃焼質量割合で２〜６０％まで（つまりＢＲ２＝５８％）と規定したが、本発明は必ずしもこの数値に限定されるものでない。
【００９０】
次に、ノック限界の点火時期ＫＮＫＣＡＬの算出につき図１５〜図１８を用いて説明する。
【００９１】
図１５は算出手法を示すフローチャートである。図において、まずステップ６１にて燃料がハイオクタンガソリンかレギュラーガソリンかを判定する。この判定手法は種々公知であり、例えばノックセンサを用いた点火時期フィードバック制御により行う。次いで、この判定結果に応じて、ハイオクガソリンであった場合にはステップ６２にて、レギュラーガソリンであった場合にはステップ６３にて、それぞれのマップからノック限界に対応する点火時期補正量の基本値ＫＮＭ［ｄｅｇ］を求める。図１６に前記マップの一例を示す。図示したようにこのマップはエンジン回転速度Ｎｅと負荷（燃料噴射量）ＴｐをパラメータとしてＫＮＭの値が割り付けられている。一般に低回転高負荷ほどノッキングが発生しやすいため小さい値つまり遅角側の値が設定されるが、同一回転速度・負荷であっても、燃料オクタン価が高いほど値は大きくなる。
【００９２】
次いで、ステップ６４にて次式により吸入混合気の温度Ｔ０ａ[Ｋ]を求める。
【００９３】
Ｔ０ａ＝Ｔａ×ＷＴＴＡ＃＋Ｔｗ（１−ＷＴＴＡ＃） … （２４）
ただし、Ｔａ：吸気温度［Ｋ］、
Ｔｗ：冷却水温度［Ｋ］
ＷＴＴＡ＃：エンジンに応じて定めた常数
このＴ０ａはエンジンの冷却水温度Ｔｗと吸気温度Ｔａの間を内分するある値となる。すなわち、シリンダに吸入された吸気の温度は、外気の温度（≒Ｔａ）に対し、吸気系でのエンジン温度の影響で温度上昇することから、これを冷却水温度Ｔｗで補正している。
【００９４】
次のステップ６５では、前記吸入混合気温度Ｔ０ａから図１７に示したようなテーブルを参照して温度による補正量ＫＮＴ［ｄｅｇ］を求める。さらに、ステップ６６にて、既知の手法により求めた湿度（水蒸気分圧）から図１８に示したようなテーブルを参照して湿度による補正量ＫＮＷ［ｄｅｇ］を求める。前記各補正量ＫＮＴ、ＫＮＷは図示したように単純な線形特性で変化するので、対応する一次関数を設定して計算により求めるようにしてもよい。なお、吸入混合気温度Ｔ０ａの代わりに、式（１４）で求めた燃焼室温度Ｔ０を用いて温度補正量ＫＮＴを設定するようにしてもよい。
【００９５】
最後に、ステップ６７にて前述のＫＮＭ、ＫＮＴ、ＫＮＷを加算したものをノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬとして設定する。
【００９６】
次に、燃焼限界の点火時期ＣＣＬＣＡＬの算出につき図１９〜図２２を用いて説明する。
【００９７】
図１９は算出手法を示すフローチャートである。図において、まずステップ７１にて、図２０に示したマップを参照して基本値ＣＣＬ［ｄｅｇ］を求める。パラメータはエンジン回転速度Ｎｅと負荷Ｔｐである。一般に、低回転低負荷時ほど混合気の流速が低く、シリンダ内残留ガスと新気との混合が悪いため燃焼火炎が伝搬しにくいことから、安定燃焼する限界点火時期はマップに示されるように遅角側に移動する。
【００９８】
次いで、ステップ７２にて、前出の式（２４）にて求めた吸入混合気温度Ｔ０ａ（または燃焼室温度Ｔ０）から図２１に示したテーブルを参照して温度による補正量ＣＣＬＴ［ｄｅｇ］を求める。高温時ほど燃焼安定性が高くなることから、テーブルの特性も図示したように高温時ほどＣＣＬＴの値が大きくなるように設定されている。
【００９９】
次に、ステップ７３にて、吸気系にスワールコントロールバルブを備える場合に、その開度に応じた補正量ＣＣＬＳ［ｄｅｇ］を求める。スワールコントロールバルブは、エンジン吸入ポート部の開口面積を制約することによりシリンダ内に流入する吸入混合気の流速を高める装置である。その開度を減じるほど吸気流速が速くなり、新気と残留ガスとの混合が促されることなどから燃焼限界も進角側に移動する。そこで、図２２に示したように、スワールコントロールバルブの開度が小さくなるほど進角側の値を与えるように設定されたテーブルを参照することでＣＣＬＳを設定する。
【０１００】
図２１および図２２の特性も線形であるので、テーブル検索ではなく関数式を演算する手法によりＣＣＬＴ、ＣＣＬＳを求めるようにしてもコントローラの演算負荷を過大にするおそれはない。
【０１０１】
最後のステップ７４にて前述のＣＣＬ、ＣＣＬＴ、ＣＣＬＳを加算したものを燃焼安定限界点火時期ＣＣＬＣＡＬとして設定する。
【０１０２】
前述のようにして求められた基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ、ノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬ、燃焼限界点火時期ＣＣＬＣＡＬのうち、図１４により説明したように最小のもの、すなわち最も遅角側の点火時期を与えるものが外乱に対応した点火時期最小値ＰＡＤＶとして選択され、この点火時期最小値ＰＡＤＶに対して各種の補正を施して算出された点火時期指令値ＱＡＤＶが図２の点火時期制御部６１に付与される。
【０１０３】
この実施形態ではＭＢＴを与える基本点火時期ＭＢＴＣＡＬ、ノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬ、燃焼限界点火時期ＣＬＣＣＡＬの三者を比較して最小のものを選択するようにしているが、基本点火時期ＭＢＴＣＡＬと、ノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬまたは燃焼限界点火時期ＣＬＣＣＡＬの何れか一方とを比較して、より小さいほうを最適点火時期最小値ＰＡＤＶとして選択するようにしてもよい。
【０１０４】
このようにして、基本点火時期ＭＢＴＣＡＬを基本としてこれをノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬまたは燃焼限界点火時期ＣＬＣＣＡＬと比較し、最遅角となる点火時期を選択する構成とすることにより、外乱によって変動する点火時期の特性からより適切なものを比較的簡単な演算処理により求めて適切に点火時期を制御することが可能となる。
【０１０５】
図２３〜図２５は本発明の点火時期算出手法に関する第２の実施形態を示している。この実施形態は、前提となるエンジンシステムおよび点火時期システムの構成は図１または図２に示したものと同じであるが、既出の基本点火時期ＭＢＴＣＡＬの演算に用いた主燃焼期間（ＢＵＲＮ２）をノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬの算出にも適用することにより、より物理モデルに近い形で高精度に最適点火時期値ＰＡＤＶを求められるようにした点で第１の実施形態と相違する。
【０１０６】
図２３に沿って説明すると、まずステップ８１にてシリンダ内で排気されずに残る残留ガスの量ＭＡＳＳＺと温度Ｔｅを算出する。残留ガス量ＭＡＳＳＺは燃焼室容積分の残ガス量と吸排気弁オーバーラップ中に排気系から吸気系へ逆流した排気ガスの量を加算して求めることができる。温度Ｔｅは吸入空気量等から近似的にテーブルで求めることができる。何れも算出手法そのものは例えば特開２００１−２２１１０５号公報等により公知である。
【０１０７】
続いて、ステップ８２にて、エアフローメータ３２、吸気温度センサ４３（図１参照）の出力結果からそれぞれ新気の量ＭＡＳＳＡとその温度Ｔａを読み込む。
【０１０８】
次に、ステップ８３では、前記ＭＡＳＳＺ、Ｔｅ、ＭＡＳＳＡ、Ｔａを用いて、次の（２５）式、（２６）式により、それぞれ圧縮開始時（吸気弁閉時）の混合気の量ＭＡＳＳＣ、混合気温度Ｔｃ０を求める。
【０１０９】
次のステップ８４では、既述した手法によりＭＢＴとなる基本点火時期ＭＢＴＣＡＬを求める。なお、この実施形態では前記ＭＢＴＣＡＬの演算過程（図１２）で求めた主燃焼期間ＢＵＲＮ２を燃焼速度の代表値として後の演算に用いている。
【０１１０】
ステップ８５以降は、ノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬの計算をするためのフローである。まずステップ８５にてノック指標値ＭＢＴＫＮを求める。ノック指標値ＭＢＴＫＮはＭＢＴ時の燃焼圧最大値クランク角から温度最高値クランク角近傍での瞬間的な自己着火時間(ｍｓ)であり、ここでは圧力最大値を示すクランクアングルを１３ｄｅｇＡＴＤＣ(以下、θＰＭＡＸ＝１３度と表す。)に設定した場合の例を、図２６のタイムチャートを参照しながら説明する。最初にθＰＭＡＸ＝１３度での平均温度Ｔｃと圧力Ｐｃとをそれぞれ次の（２７）式、（２８）式から求める。
Ｑ ：燃焼発熱量、
ＴＵＰ＃：温度上昇係数、
ｐｔ ：ポリトロープ指数＝１．３５
ＶＵＰ＃：ガス容積変化率
圧縮比率εは、吸気弁閉時(ＩＶＣ)の容積の、θＰＭＡＸ＝１３度時の容積に対する比率である。吸気弁の開閉時期を制御可能な可変吸気弁機構を備えたエンジンではその制御値から求めればよいし、開閉時期固定であれば既知の定数として設定すればよい。さらに精度を上げるには実質吸気量が確定するＩＶＣ=実効ＩＶＣを用いればよいが、それは回転速度によってクランク角で進角方向に移動するため、回転速度からεを求める手法としてもよい。
【０１１１】
燃焼発熱量Ｑは、θＰＭＡＸ＝１３度での燃焼割合を６０％としたときの混合気の燃焼による発熱量である。
【０１１２】
温度上昇係数ＴＵＰ＃は、前記燃焼発熱量ＱがＭＡＳＳＣの量の混合気を加熱するときの計算に適用する係数である。ＴＵＰ＃にはもちろん比熱分も含まれる。
【０１１３】
ガス容積変化率ＶＵＰ＃は、ガソリンと空気の混合気が６０％燃焼して燃焼途中のガスになったときの分子量変化によるガス容積変化率である。具体的には、1より若干大きな値(例えば１．０３程度)を適用すればよい。
【０１１４】
また、ピストンの上昇と燃焼ガスの昇温膨張で圧縮された未燃混合気の温度Ｔを、次式から求める。
Ｔ＝Ｔｃ０×εpt-1（Ｔｃ／Ｔｃ０×εpt-1）pt-1 ［Ｋ］… （２９）
最後に、前述のようにして求めたθＰＭＡＸ＝１３度での圧力Ｐｃと未燃混合気温度Ｔを用いて、次式からノック指標値ＭＢＴＫＮを求める。
ＭＢＴＫＮ＝ＯＣＴ×Ｐｃ-1.7×ｅｘｐ（３８００／Ｔ）［ｍｓ］… （３０）
式中のＯＣＴは燃料のオクタン価によって決まる係数であり、例えばハイオクタンガソリンで１５程度、レギュラーガソリンで１０程度の値を用いる。この式は素反応の自己着火時間を求める式であり、基本的に従来から知られているものに基づいている。
【０１１５】
次のステップ８６では、ノック指標値ＭＢＴＫＮに対する燃焼速度補正係数ＫＮＦＬＶを求める。エンジンのノッキングの発生においては温度・圧力が時々刻々と変化するため、実際の自己着火時間は温度・圧力が高く保持される時間の影響を強く受けるので、燃焼が早いとノックが起きにくく、遅いとノッキングが起きやすい。そこでこの実施形態では、ＭＢＴ計算で求めた主燃焼期間ＢＵＲＮ２を用いて前記補正係数ＫＮＦＬＶを求める。その特性例を図２４に示すが、主燃焼期間ＢＵＲＮ２が長い、つまり燃焼が遅いと小さな値となり、ノッキングが起きやすい方向に補正される特性となっている。
【０１１６】
次に、ステップ８７にて、前記ＭＢＴＫＮとＫＮＦＬＶを用いたマップ検索により、トレースノックを得るためのＭＢＴからの遅角量ＫＮＲＴを求める。図２５にその特性例を示すが、縦軸ＭＢＴＫＮ×ＫＮＦＬＶで割り付けられ、横軸回転速度Ｎｅで割り付けられたマップから遅角量ＫＮＲＴを求める。これは縦軸の数値が増大するほど、回転速度が低下するほど、遅角量が増大する特性となっている。
【０１１７】
次のステップ８８で、次式からノック限界点火時期ＫＮＫＣＡＬを求める。
ＫＮＫＣＡＬ＝ＭＢＴＣＡＬ−ＫＮＲＴ … （３１）
ステップ８９，９０では、ＭＢＴＣＡＬとＫＮＫＣＡＬのうちから小さい方つまり遅角側のものを点火時期最小値ＰＡＤＶとして選択し、これに各種の補正を加えたものを図２の点火時期制御部６１に引き渡す点火時期指令値ＱＡＤＶとして設定して今回の処理を終了する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジンの制御システム図。
【図２】エンジンコントローラで実行される点火時期制御のブロック図。
【図３】燃焼室の圧力変化図。
【図４】燃焼質量割合の変化を説明する特性図。
【図５】物理量の計算を説明するためのフローチャート。
【図６】エンジンのクランクシャフトとコネクティングロッドの位置関係を説明するダイアグラム。
【図７】水温補正係数の特性図。
【図８】当量比補正係数の特性図。
【図９】基準クランク角の特性図。
【図１０】初期燃焼期間の計算を説明するためのフローチャート。
【図１１】温度上昇率の特性図。
【図１２】主燃焼期間の計算を説明するためのフローチャート。
【図１３】基本点火時期の計算を説明するためのフローチャート。
【図１４】本発明による点火時期制御に係る第一の実施形態の処理手順を表したフローチャート。
【図１５】ノック限界点火時期の計算を説明するためのフローチャート。
【図１６】ノック限界点火時期の基本値を与えるマップの説明図。
【図１７】ノック限界点火時期に対する温度補正量を与えるテーブルの説明図。
【図１８】ノック限界点火時期に対する湿度補正量を与えるテーブルの説明図。
【図１９】燃焼限界点火時期の計算を説明するためのフローチャート。
【図２０】燃焼限界点火時期の基本値を与えるマップの説明図。
【図２１】燃焼限界点火時期に対する温度補正量を与えるテーブルの説明図。
【図２２】燃焼限界点火時期に対してスワールコントロールバルブ開度に応じた補正量を与えるテーブルの説明図。
【図２３】本発明による点火時期制御に係る第二の実施形態の処理手順を表したフローチャート。
【図２４】ノック指標値の特性図。
【図２５】トレースノックを与えるＭＢＴからの遅角量の特性図。
【図２６】第二の実施形態の制御に係るタイムチャート。
【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
２７ 吸気ＶＴＣ機構
２８ 排気ＶＴＣ機構
３１ エンジンコントローラ
３３、３４ クランク角センサ
４３ 吸気温度センサ
４４ 吸気圧力センサ
４５ 排気温度センサ
４６ 排気圧力センサ
Claims (2)
- 火花点火式エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態を用いてＭＢＴ点火時期を算出するＭＢＴ算出手段と、
前記運転状態を用いて燃焼安定限界の点火時期を算出する燃焼安定限界算出手段と、
前記ＭＢＴ点火時期と燃焼安定限界点火時期のうちの遅い方を選択する点火時期選択手段と、
前記選択した点火時期に基づいて点火時期を出力する点火時期制御手段
とを備えたことを特徴とするエンジンの点火時期制御装置。 - 火花点火式エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態を用いてＭＢＴ点火時期を算出するＭＢＴ算出手段と、
前記運転状態を用いてノック限界点火時期を算出するノック限界算出手段と、
前記運転状態を用いて燃焼安定限界の点火時期を算出する燃焼安定限界算出手段と、
前記ＭＢＴ点火時期、ノック限界点火時期、燃焼安定限界点火時期のうちの最も遅い点火時期を選択する点火時期選択手段と、
前記選択した点火時期に基づいて点火時期を出力する点火時期制御手段
とを備えたことを特徴とするエンジンの点火時期制御装置。
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