JP4761072B2 - 内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼行程における燃焼状態を表す燃焼状態量を取得し、その燃焼状態量に基づいて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。

従来より、筒内圧検出手段により検出される筒内圧（燃焼室内の圧力）に基づいて「燃焼状態」を表す量として燃焼割合ＭＦＢ（Mass Fraction Burned）を算出し、所定のクランク角度における燃焼割合ＭＦＢが目標燃焼割合と一致するように点火時期（燃焼開始時期）を制御する内燃機関の制御装置が知られている。このような装置の一つは、例えば、圧縮上死点後のクランク角度８°における燃焼割合ＭＦＢ８を求め、この燃焼割合ＭＦＢ８が目標値（例えば５０％）になるように点火時期ＳＡを制御するようになっている。これにより、内燃機関に個体差がある場合でも、点火時期が個々の機関に応じて適切に制御される。その結果、燃焼効率が改善され、内燃機関の出力トルクを増大させることができる（例えば、特許文献１を参照）。燃焼割合ＭＦＢ８は、燃焼行程における特定タイミング（圧縮上死点後のクランク角度８°）における燃焼状態量であり、８°燃焼割合とも称呼される。

ここで、燃焼割合ＭＦＢは図示熱量の割合と実質的に等価な値である。従って、図示熱量の割合も燃焼状態を表す量の一つである。図示熱量の割合は、一回の燃焼行程に関して、「燃焼室において燃焼した総ての燃料によって発生した熱のうちピストンに対する仕事に変換された熱の総量Ｑtotalに対する、所定のタイミングまでに同燃焼室において燃焼した燃料によって発生した熱のうちピストンに対する仕事に変換された熱の積算量Ｑsumの割合Ｑsum／Ｑtotal」と定義される。燃焼割合ＭＦＢは、「燃焼室において燃焼した総ての燃料のうちピストンに対する仕事に寄与した燃料の総量に対する、所定のタイミングまでに同燃焼室において燃焼した燃料のうちピストンに対する仕事に寄与した燃料の積算量の割合」と定義される。
特開２００６−１４４６４５号公報

ところで、８°燃焼割合ＭＦＢ８は燃焼行程における筒内圧センサの検出値に基いて求められる。従って、上記従来の装置において、次に到来する燃焼行程（今回の燃焼行程）に対する点火時期は、前回の燃焼行程における８°燃焼割合ＭＦＢが目標値に一致するようにフィードバック制御される。このため、燃焼状態が大きく変化する加速時等の過渡運転状態においては、点火時期を適切に制御することができないという問題がある。

本発明は、上記課題に対処するように為されたものである。即ち、本発明の目的は、今回の燃焼行程に対する燃焼状態量を事前に精度良く予測し、その予測された燃焼状態量（予測燃焼状態量）に基づいて点火時期を決定することにより、過渡運転状態においても適切に点火時期を制御することができる内燃機関の点火時期制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明による点火時期制御装置は、燃焼状態検出センサと、実燃焼状態量取得手段と、運転状態量取得手段と、予測燃焼状態量取得手段と、予測燃焼状態量補正手段と、補正量算出手段と、点火時期制御手段と、を備える。

燃焼状態検出センサは、前記機関の燃焼室内における混合気の燃焼状態に応じて変化する物理量を実際に検出する。燃焼状態検出センサの一例は筒内圧センサである。筒内圧センサは、燃焼室内における混合気の燃焼状態に応じて変化する物理量として燃焼室内の圧力（筒内圧）を検出する。

実燃焼状態量取得手段は、前記燃焼状態検出センサによって検出された物理量に基いて燃焼行程の特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を実燃焼状態量として取得するようになっている。この実燃焼状態量の一例は、上述した８°燃焼割合ＭＦＢ８である。

このように、実燃焼状態量は燃焼状態検出センサによって実際に検出された物理量に基づいて取得される。従って、今回の燃焼行程に対する点火時期を決定する際に使用することができる最新の実燃焼状態量は、前回（直前）の燃焼行程における実燃焼状態量である。

運転状態量取得手段は、前記燃焼状態検出センサが検出する物理量と相違し且つ前記機関の運転状態を表す物理量である運転状態量を取得する。この運転状態量は燃焼状態に影響を及ぼす量であって、例えば、今回の燃焼行程に対する機関の負荷、今回の燃焼行程に対する機関回転速度及び今回の燃焼行程に対するＶＶＴ進角量等であり、これらに限定されない。ＶＶＴの進角量は、排気弁の開弁時期及び閉弁時期を一定とした場合での、吸気弁開弁時期が最も遅角側に設定されている場合を基準とした吸気弁開弁時期の進角量である。ＶＶＴの進角量が大きいほどオーバーラップ期間は長くなり、既燃ガス量(内部ＥＧＲガス量）が増大する。従って、ＶＶＴ進角量に代えて、オーバーラップ期間又は内部ＥＧＲガス量を前記運転状態量の一つとして採用してもよい。なお、オーバーラップ期間とは、排気行程後期において吸気弁と排気弁とが共に開弁状態に維持される期間である。ＶＶＴの進角量、オーバーラップ期間又は内部ＥＧＲガス量等は、特に、オーバーラップ期間が変更されない場合、省略することができる。

予測燃焼状態量取得手段は、前記運転状態量と燃焼行程の所定タイミングにおける燃焼状態を表す量との関係を記述する燃焼状態モデルを含む。予測燃焼状態量取得手段は、前記運転状態量取得手段によって取得された運転状態量を燃焼状態モデルに適用することにより前記燃焼行程の特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を予測燃焼状態量として取得する。燃焼状態モデルの一例は、運転状態量と燃焼割合ＭＦＢとの関係を記述する公知のＷｉｅｂｅ関数である。

このように、予測燃焼状態量は燃焼状態モデルに基づいて取得される。従って、燃焼状態モデルに今回の燃焼行程における運転状態量を適用することにより今回の予測燃焼状態量を今回の燃焼行程前（点火時期前、点火時期決定前）に得ることができる。しかしながら、燃焼状態モデルを完璧なモデルとすることはできない。従って、予測燃焼状態量は、燃焼状態モデルが有するモデル誤差に基く予測誤差を含んでいる。この誤差は、以下に述べる予測燃焼状態量補正手段、補正量算出手段及び点火時期制御手段によって低減される。

予測燃焼状態量補正手段は、前記予測燃焼状態量を補正量によって補正することにより補正後予測燃焼状態量を取得する。この補正量は補正量算出手段により更新される。
補正量算出手段は、前記予測燃焼状態量取得手段と前記予測燃焼状態量補正手段とにより前回の燃焼行程に対して取得された補正後予測燃焼状態量と、前記実燃焼状態量取得手段により同前回の燃焼行程に対して取得された実燃焼状態量と、の差、に基づいて前記補正量を算出する。

実燃焼状態量の最新の値は前回の燃焼行程に対して取得された値である。そこで、補正量算出手段は、前回の燃焼行程に対する点火時期を決定する際に使用された前回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量と、前回の燃焼行程に対して取得された実燃焼状態量と、の差、に基づいて、その差を小さくするための前記補正量を算出する。

そして、点火時期制御手段は、算出された前記補正量により、前記予測燃焼状態量取得手段により取得される今回の燃焼行程に対する前記予測燃焼状態量を補正することにより取得される「今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量」に基づいて前記機関の点火時期を制御する。この場合、例えば、点火時期制御手段は、「今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量」と「所定の目標燃焼状態量」とが一致するように前記機関の点火時期をフィードバック制御することが望ましい。

これにより、今回の燃焼行程に対する点火時期を決定する際に使用される補正後予測燃焼状態量の精度が、前回の燃焼行程に対する実燃焼状態量と前回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量とに基づいて向上される。その結果、機関の過渡運転状態においても、今回の燃焼行程に対する燃焼状態量が精度良く予測されるので、その予測された燃焼状態量に基づいて決定される点火時期は最適な点火時期に近づく。

この場合、前記予測燃焼状態量取得手段は、前記前回の燃焼行程に対する点火時期と前記運転状態量取得手段により取得された前記今回の燃焼行程に対する点火時期以外の運転状態量とを前記燃焼状態モデルに適用することにより、前記今回の燃焼行程に対する予測燃焼状態量を取得するように構成され得る。即ち、点火時期以外の運転状態量が変化した場合に今回の燃焼行程における燃焼状態量がどのようになるかを予測し、その予測値に基づいて今回の点火時期を修正する。この結果、点火時期を適切に制御することができる。

一方、本発明による他の点火時期制御装置は、燃焼状態検出センサと、実燃焼状態量取得手段と、運転状態量取得手段と、前回予測燃焼状態量取得手段と、モデル誤差量取得手段と、今回予測燃焼状態量取得手段と、モデル誤差補償手段と、点火時期制御手段と、を備える。

燃焼状態検出センサ、実燃焼状態量取得手段及び運転状態量取得手段は、前述した通りである。

前回予測燃焼状態量取得手段は、前記運転状態量と燃焼行程の所定タイミングにおける燃焼状態を表す量との関係を記述する燃焼状態モデルを含む。燃焼状態モデルの一例は、運転状態量と燃焼割合ＭＦＢとの関係を記述する前述した公知のＷｉｅｂｅ関数である。更に、前回予測燃焼状態量取得手段は、前記運転状態量取得手段によって取得された前回の燃焼行程に対する運転状態量を燃焼状態モデルに適用することにより前回の燃焼行程の前記特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を前回予測燃焼状態量として取得する。

モデル誤差量取得手段は、前記取得された前回予測燃焼状態量と、前記実燃焼状態量取得手段により取得された前回の燃焼行程に対する実燃焼状態量と、の差をモデル誤差量として取得する。前回予測燃焼状態量は燃焼状態モデルに基いて得られる値に対して何らの補正も加えられていない値である。従って、前回予測燃焼状態量と前回の燃焼行程に対する実燃焼状態量との差は、燃焼状態モデルに含まれるモデル誤差に基く誤差そのものを反映したモデル誤差量となる。

今回予測燃焼状態量取得手段は、前回予測燃焼状態量取得手段が有する燃焼状態モデルと同じ燃焼状態モデルを含む。更に、今回予測燃焼状態量取得手段は、その燃焼状態モデルに運転状態量取得手段によって取得された今回の燃焼行程に対する運転状態量を適用することにより、今回の燃焼行程の前記特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を今回予測燃焼状態量として取得する。

モデル誤差補償手段は、前記取得された今回予測燃焼状態量を前記モデル誤差量取得手段によって取得されたモデル誤差量によって補正することにより、今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量を取得する。
点火時期制御手段は、前記取得された今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量に基づいて前記機関の点火時期を制御する。この場合、例えば、点火時期制御手段は、「今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量」と「所定の目標燃焼状態量」とが一致するように前記機関の点火時期をフィードバック制御することが望ましい。

このように、前回の燃焼行程に対する実燃焼状態量と前回予測燃焼状態量との差は、モデル誤差に基いて生じる誤差（モデル誤差量）そのものを反映した値である。従って、今回予測燃焼状態量をモデル誤差量によって補正することにより、今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量が精度良く求められる。その結果、機関の過渡運転状態においても、今回の燃焼行程に対する燃焼状態量が精度良く予測されるので、その予測された燃焼状態量に基づいて決定される点火時期は最適な点火時期に近づく。

より具体的には、
前記前回予測燃焼状態量取得手段は、前記前回の燃焼行程に対する点火時期と前記運転状態量取得手段により取得された前記前回の燃焼行程に対する点火時期以外の運転状態量とを前記燃焼状態モデルに適用することにより前記前回予測燃焼状態量を取得するように構成され、
前記今回予測燃焼状態量取得手段は、前記前回の燃焼行程に対する点火時期と前記運転状態量取得手段により取得された前記今回の燃焼行程に対する点火時期以外の運転状態量とを前記燃焼状態モデルに適用することにより前記今回予測燃焼状態量を取得するように構成され得る。

これによれば、前回の燃焼行程に対する実燃焼状態量をもたらした点火時期及び運転状態量と、前回予測燃焼状態量の基礎となった点火時期及び運転状態量と、が一致するので、モデル誤差量を精度良く取得することができる。

前述したように、
前記燃焼状態検出センサは筒内圧センサであり、
前記実燃焼状態量取得手段は前記実燃焼状態量として前記燃焼室において燃焼した総ての燃料のうちピストンに対する仕事に寄与した燃料の総量に対する前記特定タイミングまでに同燃焼室において燃焼した燃料のうちピストンに対する仕事に寄与した燃料の積算量の割合である燃焼割合を取得するように構成され、
前記燃焼状態モデルは前記運転状態量と前記燃焼行程の所定タイミングにおける燃焼状態としての燃焼割合との関係を記述するモデルであることが好適である。

これによれば、機関の効率を向上するように点火時期を定めるのに好適な燃焼割合が精度良く予測される。この結果、機関の燃費を改善し、及び／又は、機関のトルクを増大することができる。

更に、前記燃焼状態モデルは、圧縮上死点後のクランク角度θ（燃焼行程の所定のタイミング）における燃焼割合ＭＦＢθを、
ＭＦＢθ＝１−exp{−c・((θ＋αｉ)／αｂ)^ｄ}
により近似するＷｉｅｂｅ関数であり、
パラメータｃ及びパラメータｄは一定値であり、パラメータαｉは点火時期に基いて変化し、パラメータαｂは吸気弁と排気弁とが同時に開弁するオーバーラップ期間に基いて変化するように構成されたモデルであることが望ましい。

発明者は、Ｗｉｅｂｅ関数のパラメータαｉを変更した場合に算出される燃焼割合ＭＦＢθと点火時期を変更した場合の実際の燃焼割合ＭＦＢθとは非常に良く類似した変化を示すことを見出した。より具体的には、点火時期を変更した場合、実際の燃焼割合ＭＦＢθのクランク角度θに対する増大速度は殆ど変化しないが、実際の燃焼割合ＭＦＢθが増大を開始するクランク角度θが変化する。同様に、パラメータαｉを変更した場合、計算によるＭＦＢθのクランク角度θに対する増大速度は殆ど変化しないが、計算によるＭＦＢθが増大を開始するクランク角度θが変化する。

更に、発明者は、Ｗｉｅｂｅ関数のパラメータαｂを変更した場合に算出される燃焼割合ＭＦＢθとオーバーラップ期間を変更した場合の実際の燃焼割合ＭＦＢθとは非常に良く類似した変化を示すことを見出した。より具体的には、オーバーラップ期間（例えば、ＶＶＴ進角量）を変更した場合、実際の燃焼割合ＭＦＢθが増大を開始するクランク角度θは殆ど変化しないが、実際の燃焼割合ＭＦＢθのクランク角度θに対する増大速度が変化する。同様に、パラメータαｂを変更した場合、計算によるＭＦＢθが増大を開始するクランク角度θは殆ど変化しないが、計算によるＭＦＢθのクランク角度θに対する増大速度が変化する。

従って、上記のようにパラメータαｉ及びパラメータαｂを定めることにより、燃焼割合をより精度良く求める燃焼状態モデルを提供することができる。

以下、本発明の各実施形態に係る内燃機関の制御装置について図面を参照しつつ説明する。なお、本明細書において、圧縮上死点後のクランク角度Ｘ°を「ＡＴＤＣ Ｘ°、又は、ＡＴＤＣＸ」と表記し、圧縮上死点前のクランク角度Ｙ°を「ＢＴＤＣ Ｙ°、又は、ＢＴＤＣＹ」と表記する。

１．第１実施形態
（構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る点火時期制御装置をピストン往復動型の火花点火式多気筒（４気筒）４サイクル内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。なお、図１は、特定の気筒の断面のみを図示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

この内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド部３０と、シリンダブロック部２０にガソリン混合気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。

シリンダブロック部２０は、シリンダ２１、ピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダ２１内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これによりクランク軸２４が回転するようになっている。シリンダ２１とピストン２２のヘッドは、シリンダヘッド部３０とともに燃焼室２５を形成している。

シリンダヘッド部３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を開閉駆動する吸気弁制御装置３３、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８及び燃料を吸気ポート３１内に噴射するインジェクタ（燃料噴射手段）３９を備えている。

吸気弁制御装置３３は、インテークカムシャフトとインテークカム（図示せず）との相対回転角度（位相角度）を油圧により調整・制御する周知の構成を備え、吸気弁３２の開弁時期（吸気弁開弁時期）を変更することができるようになっている。本例において、吸気弁の開弁期間（開弁クランク角度幅）は一定である。従って、吸気弁開弁時期が所定角度だけ進角又は遅角させられると、吸気弁閉弁時期も同所定角度だけ進角又は遅角させられる。また、排気弁３５の開弁時期及び閉弁時期は一定である。従って、吸気弁制御装置３３によって吸気弁開弁時期が変更されることに伴ってオーバーラップ期間が変化する。

吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、吸気管４１の端部に設けられたエアフィルタ４２、吸気管４１内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４３及びスロットル弁駆動手段を構成するＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４３ａを備えている。

排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１に接続されたエキゾーストパイプ（排気管）５２、エキゾーストパイプ５２に配設された上流側の三元触媒５３及びこの触媒５３の下流のエキゾーストパイプ５２に配設された下流側の三元触媒５４を備えている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１及びエキゾーストパイプ５２は、排気通路を構成している。

一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、各気筒に設けられた筒内圧センサ６５、冷却水温センサ６６、第１触媒５３の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６７、第１触媒５３の下流であって第２触媒５４の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６８及びアクセル開度センサ６９を備えている。

熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４１内を流れる吸入空気の単位時間あたりの質量流量を検出し、質量流量Gaを表す信号を出力するようになっている。スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４３の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが所定角度から９０度、次いで９０度、更に１８０度回転する毎に一つのパルスを出力するようになっている。この信号はＧ２信号とも称呼される。クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０度回転する毎にパルスを出力するようになっている。クランクポジションセンサ６４から出力されるパルスは機関回転速度ＮＥを表す信号に変換されるようになっている。

筒内圧センサ６５は、燃焼室２５内の圧力である筒内圧を検出し、筒内圧Ｐｃを表す信号を出力するようになっている。即ち、筒内圧センサ６５は、燃焼室２５内における混合気の燃焼状態に応じて変化する物理量（筒内圧Ｐｃ）を実際に検出する燃焼状態検出センサとして機能する。

上流側空燃比センサ６７及び下流側空燃比センサ６８は、触媒５３の上下流の空燃比を検出し、その上下流の空燃比を表す信号をそれぞれ出力するようになっている。アクセル開度センサ６９は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を検出し、アクセルペダル８１の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。

電気制御装置７０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）及び定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、並びに、ＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース７５は、前記センサ６１〜６９と接続され、ＣＰＵ７１にセンサ６１〜６９からの信号を供給するようになっている。インターフェース７５は、ＣＰＵ７１の指示に応じて吸気弁制御装置３３、インジェクタ３９及びスロットル弁アクチュエータ４３ａに駆動信号を送出するとともに、イグナイタ３８に点火信号を送出するようになっている。

（制御）
次に、上記のように構成された内燃機関１０の点火時期制御装置（以下、「第１制御装置」と称呼する。）により行われる、各種の制御内容について説明する。なお、本例において、燃焼状態量としての燃焼割合ＭＦＢは所定のタイミングを表すクランク角度θに対応して求められる。クランク角度θにおける燃焼割合ＭＦＢをＭＦＢθと表す。このクランク角度θは圧縮上死点において０となり、圧縮上死点から圧縮上死点前に向って進角するほど絶対値が大きくなる負の値をとり、圧縮上死点から圧縮上死点後に向って遅角するほど絶対値が大きくなる正の値をとるように定義される。例えば、θ＝−θ１°（θ１＞０）であることは、クランク角度がＢＴＤＣθ１であることを示す。

＜点火時期制御の概要＞
図２は、点火時期ＳＡと、８°燃焼割合ＭＦＢ８と、機関１０の発生トルクＴＲＱと、の関係を示したグラフである。なお、本明細書において、点火時期がＳＡであるとは、点火時期がＢＴＤＣ ＳＡ°（ＳＡ＞０）であることを意味する。

図２から明らかなように、発生トルクＴＲＱが最大となる８°燃焼割合ＭＦＢ８は約６０％（図２の領域Ａを参照。）である。従って、第１制御装置は、８°燃焼割合ＭＦＢ８の目標値ＭＦＢ８ｔｇｔ（以下、「目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔ」という。）を６０％と定めるとともに、今回の燃焼行程における８°燃焼割合ＭＦＢ８を推定する。

実際には、第１制御装置は、今回の燃焼行程に対する８°燃焼割合ＭＦＢ８を今回の燃焼行程前の時点にて燃焼状態モデルを用いて予測するとともに、その予測された値を補正値により補正する。更に、第１制御装置は、その補正された８°燃焼割合ＭＦＢ８が目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔと一致するように点火時期ＳＡをフィードバック制御する。加えて、第１制御装置は、前回の燃焼行程に対して点火時期を決定する基礎となった予測及び補正された８°燃焼割合ＭＦＢ８と検出された筒内圧に基いて取得された前回の燃焼行程に対する実際の８°燃焼割合ＭＦＢ８とに基き前記補正値を算出する。この結果、加速時等の過渡運転状態においても、今回の燃焼行程に対する８°燃焼割合ＭＦＢ８が精度良く得られる。

そして、第１制御装置は、推定及び補正された今回の燃焼行程に対する８°燃焼割合ＭＦＢ８が目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔと一致するように今回の燃焼行程に対する点火時期ＳＡを決定する。従って、機関１０の発生トルクが増大し、燃焼効率も向上するので、機関１０の燃費を改善することができる。また、特に過渡運転状態において、ノッキングの発生やエミッションの悪化を回避することが可能となる。

なお、本明細書において、変数の後に付与される記号（ｋ）は、その変数がある特定の気筒において次に発生する燃焼行程（即ち、今回の燃焼行程）に対する変数であることを示す。従って、（ｋ−１）が付与された変数は、その特定の気筒において前回の燃焼行程（既に終了した直前の燃焼行程、即ち、１回前の燃焼行程）に対する変数である。

＜点火時期制御の詳細＞
第１制御装置は、第１制御装置の機能ブロック図である図３に示した各手段を有する。以下、各ブロックの機能を順に説明する。

目標値設定手段Ａ１は、目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔを出力するようになっている。目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔは本例において一定値（６０％）である。なお、目標値設定手段Ａ１は、機関１０の負荷及び機関回転速度ＮＥ等の機関の運転状態を表す量を入力し、その運転状態を表す量に応じて目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔを変更するように構成されていてもよい。目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔは、機関の燃焼効率が良く、且つ、ＨＣやＣＯ等の排出量が低い値となり、且つ、ノッキング等によるトルク変動等が発生しないような値に設定される。

ＭＦＢ計算モデルＡ２は燃焼状態モデルを含んでいる。この燃焼状態モデルについては後に詳述する。ＭＦＢ計算モデルＡ２は、燃焼状態に影響を及ぼす運転状態量として、前回の燃焼行程における点火時期ＳＡ（ｋ−１）、現時点の機関の負荷ＫＬ（ｋ）、現時点の機関回転速度ＮＥ（ｋ）及び現時点のＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）を入力するようになっている。点火時期ＳＡ（ｋ−１）は、点火時期データ遅延手段Ａ３から取得される。点火時期データ遅延手段Ａ３は、後述するフィードバックコントローラＡ６から出力された今回の燃焼行程に対する点火時期ＳＡ（ｋ）をＲＡＭ７３内に格納し、格納したデータの中から前回の燃焼行程に対する点火時期ＳＡ（ｋ−１）を出力するようになっている。

ＭＦＢ計算モデルＡ２は、次に到来しようとしている燃焼行程（今回の燃焼行程）が開始する直前の計算タイミングにて、入力した運転状態量を燃焼状態モデルに適用することにより、今回の燃焼行程中の特定タイミングであるＡＴＤＣ ８°における燃焼割合ＭＦＢ８（ｋ）を予測（計算）するようになっている。ＭＦＢ計算モデルＡ２により予測される８°燃焼割合ＭＦＢ８（ｋ）を「計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）」と称呼する。

ＭＦＢ計算モデルＡ２の計算タイミングは今回の燃焼行程の開始直前であるから、そのタイミングから今回の燃焼行程が終了するまでの間（又は、少なくともＡＴＤＣ ８°に至るまでの間）に機関の負荷ＫＬ、機関回転速度ＮＥ及びＶＶＴ進角量ＶＶＴは大きく変化しないとみなすことができる。従って、現時点の機関の負荷ＫＬ（ｋ）、現時点の機関回転速度ＮＥ（ｋ）及び現時点のＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）は、それぞれ、今回の燃焼行程における機関の負荷ＫＬ（ｋ）、今回の燃焼行程における機関回転速度ＮＥ（ｋ）及び今回の燃焼行程におけるＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）として扱われる。このように、点火時期ＳＡ（ｋ−１）、機関の負荷ＫＬ（ｋ）、機関回転速度ＮＥ（ｋ）及びＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）の運転状態量はＭＦＢ計算モデルＡ２に入力されるから、第１制御装置は実質的にこれらの運転状態量を取得する運転状態量取得手段（筒内圧センサ６５が検出する物理量（筒内圧）と相違し且つ機関１０の運転状態を表す物理量である運転状態量を取得する運転状態量取得手段）を備えていることになる。

なお、負荷ＫＬは吸入された筒内空気重量に比例する値（充填率）でありエアフローメータ６１の検出する質量流量Ga及び機関回転速度ＮＥにより求められる。負荷ＫＬは、空気の挙動を記述した周知の空気モデルにより取得されてもよい。ＶＶＴ進角量は、上述したように、排気弁の開弁時期及び閉弁時期を一定とした場合での、吸気弁開弁時期が最も遅角側に設定されている場合を基準とした吸気弁開弁時期の進角量である。また、機関の負荷ＫＬ（ｋ）、機関回転速度ＮＥ（ｋ）及びＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）の運転状態量は、現時点における各値等に基いて点火時期近傍の時点（例えば、ＢＴＤＣ ５°）の各値を予測・推定した値であってもよい。

ＭＦＢ計算モデルＡ２により取得される計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）は、燃焼行程の所定のタイミングにおける燃焼状態を表す量である。従って、燃焼状態モデルは、前記運転状態量と燃焼行程の所定タイミングにおける燃焼状態を表す量との関係を記述するモデルであると言うことができる。更に、ＭＦＢ計算モデルＡ２は、運転状態量を燃焼状態モデルに適用することにより燃焼行程の特定タイミングにおける燃焼状態を表す量（計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ））を予測燃焼状態量として取得する予測燃焼状態量取得手段であると言うことができる。

予測燃焼状態量補正手段Ａ４は、前記予測燃焼状態量である計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）を補正量ＨＭＦＢによって補正することにより補正後予測燃焼状態量である補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を取得するようになっている。より具体的に述べると、予測燃焼状態量補正手段Ａ４は、計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）に補正量ＨＭＦＢを加えることにより補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を取得する。補正量ＨＭＦＢは後述するローパスフィルタＡ１０から出力される。

フィードバック制御用偏差算出手段Ａ５は、目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔから補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を減じることによってフィードバック制御用偏差ｄＭＦＢ８（＝ｄＭＦＢ８（ｋ））を算出する。

フィードバックコントローラＡ６は、フィードバック制御用偏差ｄＭＦＢ８が０になるように点火時期ＳＡ（ｋ）を決定する。換言すると、フィードバック制御用偏差算出手段Ａ５及びフィードバックコントローラＡ６は、今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量である補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）と所定の目標燃焼状態量である目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔとが一致するように機関１０の点火時期ＳＡ（ｋ）をフィードバック制御（比例・積分制御）する点火時期制御手段を構成している。

より具体的に述べると、フィードバックコントローラＡ６は、下記（１）式に基いて今回の燃焼行程に対する点火時期ＳＡ（ｋ）を決定するとともに、決定した点火時期ＳＡ（ｋ）にて点火を実行するようにイグナイタ３８に点火指示信号を送出する。

（１）式のＫｐは比例定数であり、Ｋｉは積分定数である。ＳｄＭＦＢ８（ｋ）はフィードバック制御用偏差ｄＭＦＢ８（ｋ）の積分値であり、下記（２）式に基いて求められる。

実ＭＦＢ算出手段Ａ７は、前回の燃焼行程中のＡＴＤＣ ８°における燃焼割合ＭＦＢ８（ｋ−１）を少なくとも筒内圧センサ６５によって検出された筒内圧Ｐｃ（θ）＝ＰＣ（８°）に基いて算出するようになっている。実ＭＦＢ算出手段Ａ７により算出される８°燃焼割合ＭＦＢ８（ｋ−１）を「実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）」と称呼する。実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）は、前回の燃焼行程の特定タイミングにおける実際の燃焼状態を表す量（即ち、実燃焼状態量）である。

ところで、上述したように、燃焼割合ＭＦＢは図示熱量の割合Ｑsum／Ｑtotalを表す値として取得される。燃焼割合ＭＦＢを筒内圧センサ６５によって検出された筒内圧Ｐｃから求める手法の詳細は、例えば、特開２００６−１４４６４５号公報に開示されているので、以下、その概略について述べる。

クランク角度θにおける燃焼割合ＭＦＢθは、下記の（３）式により推定される。（３）式において、クランク角度θｓ（θｓ＜０）は、対象とする燃焼行程（膨張行程）に向う過程において吸気弁３２及び排気弁３５の両方が閉じた状態にあり且つ点火時期よりも十分に進角した時期（例えば、θｓ＝−６０°、即ち、ＢＴＤＣ ６０°）であり、クランク角度θｅ（θｅ＞０）は、対象とする燃焼行程における燃焼が実質的に終了する最も遅い時期よりも遅い所定の時期且つ排気弁開弁時期よりも進角した時期（例えば、θｅ＝６０°、即ち、ＡＴＤＣ ６０°）である。

この（３）式は、発生した熱のうちピストンに対する仕事に寄与した熱の積算量Ｑの変化パターンがＰｃ（θ）Ｖ（θ）^κの変化パターンと概ね一致するという知見に基いている。Ｐｃ（θ）はクランク角度θにおける筒内圧、Ｖ（θ）はクランク角度θにおける燃焼室２５の容積、κは混合ガスの比熱比（例えば、１．３２）である。

実ＭＦＢ算出手段Ａ７は、上記（３）式のθに８°を代入すること等により、前回の燃焼行程に対する実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）を求める。

燃焼割合データ遅延手段Ａ８は、前述した補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）が算出される毎にＲＡＭ７３に格納し、格納したデータの中から前回の燃焼行程に対する補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）を出力するようになっている。

補正基本量算出手段Ａ９は、実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）から補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）を減じることにより補正基本量ｅＭＤＬを算出するようになっている。換言すると、補正基本量算出手段Ａ９は、予測燃焼状態量取得手段としてのＭＦＢ計算モデルＡ２と予測燃焼状態量補正手段Ａ４とにより前回の燃焼行程に対して取得された補正後予測燃焼状態量としての補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）と、実燃焼状態量取得手段としての実ＭＦＢ算出手段Ａ７により前回の燃焼行程に対して取得された実燃焼状態量としての実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）との差（補正基本量ｅＭＤＬ）を取得するようになっている。

ローパスフィルタＡ１０は、補正基本量算出手段Ａ９によって取得された補正基本量ｅＭＤＬに対し周知のローパスフィルタ処理を施すことにより前述した補正量ＨＭＦＢを算出するようになっている。このローパスフィルタ処理は、補正基本量ｅＭＤＬを時間積分する処理と実質的に同じ処理である。

このように、燃焼割合データ遅延手段Ａ８、補正基本量算出手段Ａ９及びローパスフィルタＡ１０は、前回の燃焼行程に対して取得された補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）と、前回の燃焼行程に対して取得された実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）と、の差、に基づいて補正量ＨＭＦＢを算出する補正量算出手段を構成している。

＜燃焼状態モデル＞
次に、ＭＦＢ計算モデルＡ２が備える燃焼状態モデルについて説明する。この燃焼状態モデルは、Ｗｉｅｂｅ関数と称呼される燃焼割合ＭＦＢを求めるためのモデルであり、下記（４）式により表される。

本実施形態において、上記（４）式における変数（パラメータ）αｉ及び変数αｂは下記（５）式及び（６）式に従って求められる。上記ＭＦＢ計算モデルＡ２は、（５）式の点火時期ＳＡにＳＡ（ｋ−１）を代入し、（５）式及び（６）式の負荷ＫＬ、機関回転速度ＮＥ及びＶＶＴ進角量ＶＶＴに、ＫＬ（ｋ）、ＮＥ（ｋ）及びＶＶＴ（ｋ）をそれぞれ代入することにより、変数αｉ及び変数αｂを求める。そして、上記ＭＦＢ計算モデルＡ２は、上記（４）式に求めた変数αｉ及び変数αｂを代入するとともに、上記（４）式のθに８°を代入することによって、今回の燃焼行程に対する計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）を算出する。従って、燃焼状態モデルは、運転状態量（ＳＡ（ｋ−１）、ＫＬ（ｋ）、ＮＥ（ｋ）、ＶＶＴ（ｋ））と燃焼行程の所定タイミングにおける燃焼状態を表す量である計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）との関係を記述するモデルであるということができる。なお、ｋ１〜ｋ７は適合定数である。

上述したＷｉｅｂｅ関数は一般に下記（７）式により表される。Ｗｉｅｂｅ関数自体は、燃焼割合の変化の様子を模擬した近似関数モデルとして知られている。この関数においてパラメータｃ，ｄはパラメータαｉ，αｂと相互に干渉する。従って、パラメータｃ，ｄは固定値とすることが推奨されている。そこで、発明者は、パラメータｃ及びパラメータｄを上述のように「５」及び「４」にそれぞれ設定した。

しかし、パラメータαｉ及びαｂを適切に設定しなければ、近似精度を向上することができない。そこで、発明者は以下に述べる検討を行った。その結果、発明者は、パラメータαｉ及びパラメータαｂを上記（５）式及び上記（６）式に従って設定することが好適であることを見い出した。

先ず、発明者は、点火時期ＳＡをＢＴＤＣ ２２°、ＢＴＤＣ ２８°及びＢＴＤＣ ３２°に設定した場合における実際の燃焼割合ＭＦＢのクランク角度θに対する変化を測定した。図４はその結果を示すグラフである。一方、図５は、上記（７）式におけるパラメータαｉを変化させ、他のパラメータｃ、ｄ、及びαｂを一定値としたときの変数ｘに対するｙの変化を示すグラフである。

発明者は、図４及び図５を比較することにより、点火時期ＳＡとパラメータαｉとは非常に相関が強いこと（即ち、点火時期ＳＡを変更した場合の実際の燃焼割合ＭＦＢの変化と、パラメータαｉを変更した場合の計算値ｙの変化とが類似すること）を見いだした。より具体的には、図４に示したように、点火時期ＳＡを変更した場合、実際の燃焼割合ＭＦＢのクランク角度θに対する増大速度は殆ど変化しないが、実際の燃焼割合ＭＦＢが増大を開始するクランク角度θが変化する。同様に、図５に示したように、パラメータαｉを変更した場合、計算値ｙのｘに対する傾き（増大速度）は殆ど変化しないが、計算値ｙが増大を開始するｘの値が変化する。

次に、発明者は、ＶＶＴ進角量ＶＶＴを０°、２０°及び４０°に設定した場合における実際の燃焼割合ＭＦＢのクランク角度θに対する変化を測定した。図６はその結果を示すグラフである。一方、図７は、上記（７）式におけるパラメータαｂを変化させ、他のパラメータｃ、ｄ、及びαｉを一定値としたときの変数ｘに対するｙの変化を示すグラフである。

発明者は、図６及び図７を比較することにより、ＶＶＴ進角量ＶＶＴ（即ち、オーバーラップ期間）とパラメータαｂとは非常に相関が強いことを見いだした。換言すると、ＶＶＴ進角量ＶＶＴを変更した場合の実際の燃焼割合ＭＦＢの変化と、パラメータαｂを変更した場合の計算値ｙの変化とが類似することを見いだした。より具体的には、図６に示したように、ＶＶＴ進角量ＶＶＴを変更した場合、実際の燃焼割合ＭＦＢが増大を開始するクランク角度θは殆ど変化しないが、実際の燃焼割合ＭＦＢの増大速度が変化する。同様に、図７に示したように、パラメータαｂを変更した場合、計算値ｙが増大を開始するｘの値は殆ど変化しないが、計算値ｙのｘに対する傾き（増大速度）が変化する。

以上のことから、発明者は、パラメータαｉは点火時期ＳＡの一次式により表されること（少なくとも、パラメータαｉは点火時期ＳＡを変数とする関数により表されること）が好適であると判断し（上記（５）式を参照。）、パラメータαｂはＶＶＴ進角量ＶＶＴの一次式により表されること（少なくとも、パラメータαｂはＶＶＴ進角量ＶＶＴを変数とする関数により表されること）が好適であると判断した（上記（６）式を参照。）。更に、負荷ＫＬが大きくなるほど且つＮＥが小さくなるほどクランク角度θに対する燃焼速度（クランク角度θに対する燃焼割合の増加速度）は大きくなるから、パラメータαｂ（パラメータαｂを求める（６）式）に変数ＫＬ／ＮＥを導入した。即ち、パラメータαｂは変数ＫＬ／ＮＥの一次式により表されることが好適であると判断した。そして、パラメータαｂに変数ＫＬ／ＮＥを導入したことに対する調整として、パラメータαｉに変数ＫＬ／ＮＥ及び変数ＮＥを導入した（上記（５）式を参照。）。

図８は、加速時における点火時期ＳＡ、負荷ＫＬ、ＶＶＴ進角量ＶＶＴ、実際の８°燃焼割合ＭＦＢ８（実測値）及び上記（４）〜（６）式により表された燃焼状態モデルによって計算された計算８°燃焼割合ＭＦＢ８（モデル値）の変化の様子を示したグラフである。この図から明らかなように、実測値とモデル値との間にモデル誤差による誤差Δは存在するものの、実測値の変化のタイミングとモデル値の変化のタイミングは非常に近いことが理解される。更に、誤差Δは上記（５）式及び（６）式の適合定数ｋ１〜ｋ７を厳密に適合することにより低減可能である。即ち、上記（５）式及び（６）式のようにパラメータαｉ及びパラメータαｂを決定すれば、８°燃焼割合ＭＦＢ８を燃焼状態モデルを用いて精度良く推定することができる。

なお、パラメータαｉを点火時期ＳＡ（上死点前の点火時期の進角度を正とする）に関して単調増加する関数により表し、パラメータαｂをＶＶＴ進角量ＶＶＴに関して単調増加する関数により表しても良い。

以上、説明したように、第１制御装置は、燃焼状態モデルを用いて今回の燃焼行程（爆発行程、膨張行程）に対する８°燃焼割合ＭＦＢ８を予測しているので、加速時のような過渡運転状態においても点火時期を精度良く制御することができる。更に、何れも前回の燃焼行程に対する値である補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）と実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）の差に基づいて今回の燃焼行程に対して予測される計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）を補正することにより、点火時期制御に用いられる補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を求めているので、補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を精度良く求めることができる。その結果、燃焼状態モデルにモデル誤差が含まれていても、点火時期が最適値に近づくので、機関１０のトルク及び燃費等を改善することができる。

図９は、ＶＶＴ進角量を急変させたときの従来の制御装置と第１制御装置とにおける各値の挙動を表したグラフである。図９において、細い破線Ｃ１は点火時期を変更しない場合における実際の８°燃焼割合を示し、太い破線Ｃ２は今回の燃焼行程に対する点火時期の制御に従来の実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）を用いた場合における実際の８°燃焼割合の挙動を示している。一方、細い実線Ｃ３は点火時期を変更しない場合における補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を示し、太い実線Ｃ４は今回の燃焼行程に対する点火時期の制御に補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を用いた場合における実際の８°燃焼割合の挙動を示している。

この図からも理解されるように、点火時期の制御に従来の実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）を用いると、ＶＶＴ進角量が急変した場合、ＶＶＴ進角量に伴う８°燃焼割合のズレ分が１サイクルずつ遅れて修正されてゆく。このため、８°燃焼割合と目標値との差が大きくなり且つ８°燃焼割合が目標値に収束するまでに長い時間を要する（曲線Ｃ２を参照。）。これに対し、第１制御装置のように、点火時期の制御に補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を用いると、ＶＶＴ進角量の急変に伴う８°燃焼割合の急変が予測されるので、その８°燃焼割合の急変分を抑制するように点火時期が制御される。その結果、ＶＶＴ進角量に伴う８°燃焼割合の目標値からのズレ分を速やかに小さくすることができる（曲線Ｃ４を参照。）。また、図９において、「err」は燃焼状態モデルによる誤差を表すが、第１制御装置によればこの誤差を補正値ＨＭＦＢによって小さくすることができるので、より一層、点火時期を適正値に近づけることができる。

（実際の作動）
次に、第１制御装置の実際の作動について説明する。なお、以下に説明するルーチンは電気制御装置７０のＣＰＵ７１が特定気筒に対して実行するルーチンである。ＣＰＵ７１は他の気筒に対しても同様なルーチンを実行するようになっている。

ＣＰＵ７１は、図示しない筒内圧取得ルーチンを所定の微小クランク角度が経過する毎に実行し、そのルーチンが実行された時点のクランク角度θと筒内圧Ｐｃ（θ）とをＲＡＭ７３に格納している。

更に、ＣＰＵ７１は図１０に示したルーチンを、クランク角度が「燃焼行程が実質的に終了した後の所定クランク角度（例えば、ＡＴＤＣ １６０°）」に一致する毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１は図１０のルーチンの処理をステップ１０００から開始し、ステップ１０１０〜ステップ１０６０にて以下の処理を行い、ステップ１０９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

ステップ１０１０：ＣＰＵ７１は、筒内圧取得ルーチンによって取得した各クランク角度θに対する筒内圧Ｐｃ（θ）と、クランク角度θに対応する燃焼室容積Ｖ（θ）を上記（３）式に代入することにより、各クランク角度θに対する燃焼割合ＭＦＢθを算出する。ここで算出される各燃焼割合ＭＦＢθは、前回の燃焼行程における実燃焼割合ＭＦＢθact（ｋ−１）である。算出される実燃焼割合ＭＦＢθact（ｋ−１）にはＡＴＤＣ８°における実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）が含まれている。

ステップ１０２０：ＣＰＵ７１は、ステップ１０１０にて算出された実燃焼割合ＭＦＢθact（ｋ−１）を用いてＮ°（ここではクランク角度１５°）幅における実燃焼割合ＭＦＢθact（ｋ−１）の変化量ΔＭＦＢを、前記所定の微小クランク角度毎に算出する。即ち、ΔＭＦＢ＝ＭＦＢθact（ｋ−１）−ＭＦＢθｂact（ｋ−１）（但し、θｂ＝θ−Ｎ）に従って変化量ΔＭＦＢが計算される。

ステップ１０３０：ＣＰＵ７１は、ステップ１０２０にて算出された複数の燃焼割合変化量ΔＭＦＢの中から最大値（燃焼割合最大変化速度）ΔＭＦＢmaxを取得する（図１１を参照。）。更に、ＣＰＵ７１は、その燃焼割合最大変化速度ΔＭＦＢmaxに対するクランク角度θをクランク角度ＣＡmaxとして取得するとともに、クランク角度ＣＡmaxにおける実燃焼割合ＭＦＢθact（ｋ−１）をＭＦＢcamaxとして取得する。

ステップ１０４０：ＣＰＵ７１は、ステップ１０３０にて求めた各値と直前の燃焼行程に対する点火時期ＳＡ（＝ＳＡ（ｋ−１））を下記（８）式に適用することにより、図１１に示した全燃焼対応期間ＣＰを推定（算出）する。全燃焼対応期間ＣＰはクランク角度の幅（クランク角度の大きさ、単位（°））によって表される。

上記（８）式により求められる全燃焼対応期間ＣＰは、点火時期ＳＡ（ｋ−１）から燃焼終了時期ＣＡｅまでの期間である。燃焼終了時期ＣＡｅは燃焼室内の混合ガスの燃焼が実質的に終了する時期である。燃焼終了時期ＣＡｅは以下の手法により求められるから、上記（８）式が得られる。

（１）図１１に示したように、実燃焼割合ＭＦＢθact（ｋ−１）の変化を近似する直線（外挿線）Ｌextを引く。直線Ｌextは、ステップ１０３０にて得られた燃焼割合変化量ΔＭＦＢの最大値ΔＭＦＢmax（燃焼割合最大変化速度）に対応するクランク角度ＣＡmaxと、そのクランク角度ＣＡmaxにおける実燃焼割合ＭＦＢcamaxと、によって定まる点Ｐmaxを通る。直線Ｌextの傾きはΔＭＦＢmax／Ｎである。

（２）直線Ｌextが燃焼割合１００％に到達した点Ｐｅに対応するクランク角度ＣＡｅを燃焼終了時期ＣＡｅとして求める。なお、燃焼割合１００％は、クランク角度θｓ（ＢＴＤＣ ６０°）からクランク角度θｅ（ＡＴＤＣ ６０°）までに燃焼室において燃焼した総ての燃料のうちピストンに対する仕事に寄与した燃料の総量に対応する値であり、（３）式の分母に相当する値である。

ステップ１０５０：ＣＰＵ７１は、ＡＴＤＣ８°における実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）から補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）を減じることにより補正基本量ｅＭＤＬを算出する。補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）は、後述する図１５に示したルーチンのステップ１５７０にて求められている。

ステップ１０６０：ＣＰＵ７１は、ステップ１０５０にて取得された補正基本量ｅＭＤＬに対しローパスフィルタ処理を施すことにより前述した補正量ＨＭＦＢを算出する。このローパスフィルタ処理は、例えば、簡易的に下記（９）式に基いて行われる。（９）式における値ｎは、０より大きく１より小さい所定の定数である。

加えて、ＣＰＵ７１は図１２に示したＶＶＴ進角量を制御するためのルーチンを、クランク角度が所定のクランク角度（例えば、燃焼行程が実質的に終了した後の所定クランク角度（例えば、ＢＴＤＣ１８０°）に一致する毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１は図１２のルーチンの処理をステップ１２００から開始してステップ１２１０に進み、先に説明したステップ１０４０にて求めた全燃焼対応期間ＣＰが目標全燃焼対応期間ＣＰｔｇｔより大きいか否かを判定する。

目標全燃焼対応期間ＣＰｔｇｔは、ＨＣ及びＣＯの排出量が増加しない範囲内であって最も長いオーバーラップ期間（最も進角側のＶＶＴ進角量）に対応する全燃焼対応期間ＣＰとなるように予め定められている。なお、オーバーラップ期間が長くなると、燃焼室から吸気ポートに排出され且つその後に燃焼室に再び吸入される既燃ガス（「内部ＥＧＲガス」又は「自己ＥＧＲガス」とも称呼される。）の量が増大する。その結果、燃焼速度が小さくなるので全燃焼対応期間ＣＰは長くなる。反対に、オーバーラップ期間が短くなると、内部ＥＧＲガスの量が減少する。その結果、燃焼速度が大きくなるので全燃焼対応期間ＣＰは短くなる。

ステップ１２１０の判定時点において、全燃焼対応期間ＣＰが目標全燃焼対応期間ＣＰｔｇｔより大きければ、燃焼速度が小さすぎる（既燃ガス量が過大である）ことを意味する。従って、ＣＰＵ７１はステップ１２２０に進んでオーバーラップ期間を短くして燃焼速度が増大するように吸気弁開弁時期ＩＯを所定角度ΔＩＯだけ遅角する。即ち、ＶＶＴ進角量を減少する。一方、全燃焼対応期間ＣＰが目標全燃焼対応期間ＣＰｔｇｔより小さければ、燃焼速度が大きすぎる（既燃ガス量が過小である）ことを意味する。従って、ＣＰＵ７１はステップ１２３０に進んでオーバーラップ期間を長くして燃焼速度が減少するように吸気弁開弁時期ＩＯを所定角度ΔＩＯだけ進角する。即ち、ＶＶＴ進角量を増大する。

なお、本例において、吸気弁開弁時期ＩＯは、吸気上死点（排気上死点）から吸気上死点前に向って進角するほど絶対値が大きくなる正の値をとり、吸気上死点から吸気上死点後に向って遅角するほど絶対値が大きくなる負の値をとるクランク角度により表される。

その後、ＣＰＵ７１はステップ１２４０に進み、上記ステップ１２２０又はステップ１２３０にて決定された吸気弁開弁時期ＩＯにて吸気弁３２が開弁するように、吸気弁開弁時期ＩＯを設定する。この結果、吸気弁制御装置３３が吸気弁３２を設定された吸気弁開弁時期ＩＯにて開弁させる。なお、吸気弁制御装置３３は、吸気弁開示弁時期ＩＯに一定の吸気弁開弁角度ＩＯθを加えた時期が吸気弁閉弁時期ＩＣとなるように、吸気弁３２を閉弁させる。

次いで、ＣＰＵ７１はステップ１２５０に進み、吸気弁開弁時期ＩＯから吸気弁開弁基準時期ＩＯintを減じた値を今回の燃焼行程に対するＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）として格納する。吸気弁開弁基準時期ＩＯintは、吸気弁開弁時期が変更され得る範囲内において最も遅角側に設定された場合の吸気弁開弁時期ＩＯである。その後、ＣＰＵ７１はステップ１２９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。

ところで、図１３は、ＶＶＴ進角量に対し、ＣＯ_２及びＨＣの排出量並びに全燃焼対応期間ＣＰがどのように変化するかについての測定結果を表している。この測定において、点火時期ＳＡは８°燃焼割合ＭＦＢ８が、２０、３０、４０及び５０％となるように変化させられた。

図１３から理解されるように、点火時期ＳＡが変動しても、ＶＶＴ進角量と全燃焼対応期間ＣＰとは実質的に１：１の関係を維持する。換言すると、ＶＶＴ進角量（オーバーラップ期間、既燃ガス量）がある一定値であれば、点火時期ＳＡが変化しても、全燃焼対応期間ＣＰは殆ど変化しない。従って、領域Ａにより示したように、ＣＯ及びＨＣの排出量が増大しない範囲（ＣＯ_２の排出量が減少せず且つＨＣの排出量が増大しない範囲）においてＶＶＴ進角量が出来るだけ大きくなる（オーバーラップ期間が最長となって、既燃ガス量が最大となる）ようにＶＶＴ進角量を制御するには、全燃焼対応期間ＣＰが領域Ａにおける全燃焼対応期間ＣＰ（図１３の例ではＣＰ＝７０°）と一致するようにＶＶＴ進角量を制御すれば良い。

そこで、第１制御装置は、全燃焼対応期間ＣＰが予め定められた目標全燃焼対応期間ＣＰｔｇｔと一致するようにＶＶＴ進角量を制御する。目標全燃焼対応期間ＣＰｔｇｔは、ＣＯ及びＨＣの排出量が増大しない範囲においてオーバーラップ期間ができるだけ長くなる期間に設定される。従って、第１制御装置は、ＨＣ及びＣＯの排出量の増大を招くことなくＮＯｘの排出量を低減し、且つ、ポンピングロスを低減することができる。その結果、排ガスの排出量が小さく、且つ、優れた燃費の内燃機関が提供される。

なお、図１３は、ＶＶＴ進角量に対する、実質燃焼期間ＣＰａとＣＯ_２及びＨＣの排出量の関係も示している。実質燃焼期間ＣＰａは、図１１に示したように、直線Ｌextにより近似された燃焼割合が０から１００％に到達するまでのクランク角度幅である。図１３の領域Ａに対する領域Ｂに示したように、ＣＯ及びＨＣの排出量が増大を開始するＶＶＴ進角量に対応する実質燃焼期間ＣＰａは、点火時期ＳＡが変化すると変動する。従って、実質燃焼期間ＣＰａよりも上述した全燃焼対応期間ＣＰをＶＶＴ進角量のフィードバック制御に使用する方が好ましいということが理解される。

図１４は、別の機関１０について、実質燃焼期間ＣＰａとＨＣ排出量との関係、及び、全燃焼対応期間ＣＰとＨＣ排出量との関係を測定した結果を示すグラフである。この測定において、点火時期ＳＡは、８°燃焼割合ＭＦＢ８が、２０、３０、４０及び５０％となるように変化させられた。

図１４の（Ａ）によれば、８°燃焼割合ＭＦＢ８が、２０、３０、４０及び５０％であるとき、ＨＣの排出量が増大しない範囲における実質燃焼期間ＣＰａの最適値は、直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４により示したように、点火時期ＳＡに依存して変化し、ある幅Ｗを有するように存在している。換言すると、ある点火時期にて点火が行われている状態において実質燃焼期間ＣＰａを最適な目標燃焼期間に一致させるようにＶＶＴ進角量をフィードバック制御しても、点火時期が変化した場合にはそのＶＶＴ進角量が過大又は過小になってしまうので、ＨＣ及びＣＯの排出量の増大を招くか、又は、ＮＯｘの排出量の増大及びポンピングロスの低減幅が減少してしまう場合が生じる。

図１４の（Ｂ）によれば、８°燃焼割合ＭＦＢ８が、２０、３０、４０及び５０％に一致するように点火時期ＳＡが変更されても、ＨＣの排出量が増大し始める全燃焼対応期間ＣＰは直線Ｌoptにて示した一点のみとなる。従って、直線Ｌoptにより示される全燃焼対応期間ＣＰを目標全燃焼対応期間ＣＰｔｇｔに設定し、実際に推定される全燃焼対応期間ＣＰがこの目標全燃焼対応期間ＣＰｔｇｔと一致するようにＶＶＴ進角量を制御すれば、点火時期ＳＡに関わらずＨＣの排出量（従って、ＣＯの排出量）が増大しない範囲においてオーバーラップ期間をできるだけ長く（既燃ガス量をできるだけ多く）設定することができ、以って、ＮＯｘの排出量が低減でき且つポンピングロスを低減できる。

以上の説明から理解されるように、第１制御装置は、全燃焼対応期間ＣＰを用いてＶＶＴ進角量を制御しているので、オーバーラップ量が適切となり、既燃ガス量が適量となる。この結果、第１制御装置は、ＨＣ及びＣＯの排出量の増大を招くことなく、ＮＯｘの排出量を低減し、且つ、ポンピングロスを低減することができる。

一方、ＣＰＵ７１は図１５に示したルーチンを、クランク角度が燃焼行程開始直前の所定のクランク角度（例えば、ＢＴＤＣ９０°）に一致する毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１は図１５のルーチンの処理をステップ１５００から開始し、ステップ１５１０〜ステップ１５６０にて以下の処理を行った後、ステップ１５９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

ステップ１５１０：ＣＰＵ７１は、燃焼状態に影響を及ぼす運転状態量として、現時点の機関回転速度ＮＥ（ｋ）、現時点の機関の負荷ＫＬ（ｋ）、現時点のＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）及び前回の燃焼行程における点火時期ＳＡ（ｋ−１）を入力し、それらを機関回転速度ＮＥ、負荷ＫＬ、ＶＶＴ進角量ＶＶＴ及び点火時期ＳＡとして格納する。

ステップ１５２０：ＣＰＵ７１は、ステップ１５１０にて格納した運転状態量（ＮＥ，ＫＬ，ＶＶＴ及びＳＡ）を上記（４）式乃至（６）式により表された燃焼状態モデル（Ｗｉｅｂｅ関数）に適用するとともに、（４）式のクランク角度θに８°を代入することにより、計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）を算出する。

ステップ１５３０：ＣＰＵ７１は、ステップ１５２０にて求められた計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）に補正値ＨＭＦＢを加えた値を補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）として格納する。補正値ＨＭＦＢは、図１０のステップ１０６０にて求められている。

ステップ１５４０：ＣＰＵ７１は、８°目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔを決定する。ここでは、目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔは一定値である。なお、目標燃焼割合決定用の機関１０の運転状態を表すパラメータに基づいて８°目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔを変更してもよい。目標燃焼割合決定用の運転状態を表すパラメータは、負荷ＫＬ及び機関回転速度ＮＥである。この運転状態を表すパラメータとして、冷却水温ＴＨＷ等の他のパラメータを加えてもよい。

ステップ１５５０：ＣＰＵ７１は、目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔから補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を減じることによってフィードバック制御用偏差ｄＭＦＢ８（ｋ）を算出する。
ステップ１５６０：ＣＰＵ７１は、フィードバック制御用偏差ｄＭＦＢ８（ｋ）の値が「０」となるように点火時期をフィードバック制御（比例・積分制御）する。
ステップ１５７０：ＣＰＵ７１は、図１０のステップ１０５０にて使用される補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）にステップ１５３０にて算出された補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を格納する。

以上、説明したように、第１実施形態に係る点火時期制御装置によれば、ＡＴＤＣ８°における実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）から補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）を減じることにより補正基本量ｅＭＤＬを算出し（図１０のステップ１０５０）、補正基本量ｅＭＤＬをローパスフィルタ処理した補正量ＨＭＦＢを算出する（ステップ１０６０）。そして、この点火時期制御装置は、計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）に補正値ＨＭＦＢを加えた値を補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）として求め（図１５のステップ１５３０）、その補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）が目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔと一致するように今回の点火時期ＳＡを決定する（ステップ１５４０〜ステップ１５６０）。

従って、燃焼行程開始前（点火時期計算前）において補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）が精度良く求められるので、加速時のような過渡運転状態においても点火時期を精度良く制御することができる。また、ＶＶＴ進角量がＨＣ及びＣＯの排出量が増大しない範囲において大きくなる（オーバーラップ期間が長くなる）ので、機関１０のトルク及び燃費を改善することができる。なお、第１実施形態に係る点火時期制御装置は、「外乱オブザーバ」手法により補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を求めている装置ということもできる。

２．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態に係る点火時期制御装置（以下、「第２制御装置」と称呼する。）について説明する。第２制御装置は、電気制御装置７０の機能（作動）のみが上記第１制御装置と相違している。従って、以下、第１制御装置との相違点について説明する。

＜点火時期制御の概要＞
第２制御装置は、第１制御装置と同様、今回の燃焼行程に対する８°燃焼割合ＭＦＢ８を今回の燃焼行程前の時点にて燃焼状態モデルを用いて予測するとともに、その予測された値を補正値により補正する。そして、その補正された８°燃焼割合が目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔと一致するように点火時期ＳＡをフィードバック制御する。但し、第２制御装置は、第１制御装置と同様に推定された今回の燃焼行程に対する８°燃焼割合ＭＦＢ８を第１制御装置とは異なる方法により補正する。

第１制御装置において、補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）は前回の燃焼行程における点火時期ＳＡ（ｋ−１）に基いて決定される。従って、燃焼状態モデルの有する誤差を補償することを目的として実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）と比較される補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）は、前々回（２回前）の点火時期ＳＡ（ｋ−２）に基いて決定されていることになる。一方、実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）は前回（１回前）の点火時期ＳＡ（ｋ−１）にて点火及び燃焼が行われた結果として得られる値である。つまり、実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）と補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）とは、その基本となっている点火時期ＳＡが相違している。このため、実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）と補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ−１）との差である補正基本量ｅＭＤＬは、燃焼状態モデルが有する誤差そのものを表す値とはならないので、ローパスフィルタ処理を行って補正値ＨＭＦＢを求める必要があり、補正が遅れる場合があった。

＜点火時期制御の詳細＞
第２制御装置は、上述した第１制御装置が有する課題に着目した装置であり、その機能ブロック図である図１６に示した各手段を有する。以下、各ブロックの機能を順に説明する。

目標値設定手段Ｂ１は、上記目標値設定手段Ａ１と同一の手段である。即ち、目標値設定手段Ｂ１は、目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔを出力するようになっている。

第１ＭＦＢ計算モデルＢ２は、上記ＭＦＢ計算モデルＡ２と同一の手段である。即ち、第１ＭＦＢ計算モデルＢ２は、上記ＭＦＢ計算モデルＡ２が備える燃焼状態モデル（即ち、上記（４）式乃至（６）式により表されたＷｉｅｂｅ関数）を含んでいる。第１ＭＦＢ計算モデルＢ２は、燃焼状態に影響を及ぼす運転状態量として、前回の燃焼行程における点火時期ＳＡ（ｋ−１）、今回の燃焼行程に対する（現時点の）機関の負荷ＫＬ（ｋ）、今回の燃焼行程に対する機関回転速度ＮＥ（ｋ）及び今回の燃焼行程に対するＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）を入力するようになっている。点火時期ＳＡ（ｋ−１）は、点火時期データ遅延手段Ａ３と同一の手段である点火時期データ遅延手段Ｂ３から取得される。

第１ＭＦＢ計算モデルＢ２は、次に到来しようとしている燃焼行程（今回の燃焼行程）が開始する直前の計算タイミングにて、前記入力した運転状態量（ＳＡ（ｋ−１）、ＫＬ（ｋ）、ＮＥ（ｋ）及びＶＶＴ（ｋ））を前記燃焼状態モデルに適用することにより、今回の燃焼行程中の所定タイミングであるＡＴＤＣ ８°における燃焼割合ＭＦＢ８（ｋ）（即ち、計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ））を予測（算出）するようになっている。

予測燃焼状態量補正手段Ｂ４は、予測燃焼状態量である計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）をモデル誤差量GosaＭＤＬ（補正量）によって補正することにより補正後予測燃焼状態量である補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を取得するようになっている。より具体的に述べると、予測燃焼状態量補正手段Ｂ４は、計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）にモデル誤差量GosaＭＤＬを加えることにより補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を取得する。モデル誤差量GosaＭＤＬは後述するモデル誤差量算出手段Ｂ１０から出力される。

フィードバック制御用偏差算出手段Ｂ５は、上記フィードバック制御用偏差算出手段Ａ５と同一の手段である。即ち、フィードバック制御用偏差算出手段Ｂ５は、目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔから補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を減じることによってフィードバック制御用偏差ｄＭＦＢ８（＝ｄＭＦＢ８（ｋ））を算出する。

フィードバックコントローラＢ６は、上記フィードバックコントローラＡ６と同一の手段である。即ち、フィードバックコントローラＢ６は、フィードバック制御用偏差ｄＭＦＢ８（ｋ）が０になるように点火時期ＳＡ（ｋ）を決定する。換言すると、フィードバック制御用偏差算出手段Ｂ５及びフィードバックコントローラＢ６は、今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量である補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）と所定の目標燃焼状態量である目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔとが一致するように機関１０の点火時期ＳＡ（ｋ）をフィードバック制御（比例・積分制御）する点火時期制御手段を構成している。

実ＭＦＢ算出手段Ｂ７は、上記実ＭＦＢ算出手段Ａ７と同一の手段である。即ち、実ＭＦＢ算出手段Ｂ７は、前回の燃焼行程中のＡＴＤＣ ８°における燃焼割合ＭＦＢ８（ｋ−１）である「実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）」を、上記（３）式のθに８°を代入すること等により算出するようになっている。

運転状態量遅延手段Ｂ８は、燃焼状態に影響を及ぼす運転状態量である今回の燃焼行程に対する機関の負荷ＫＬ（ｋ）、今回の燃焼行程に対する機関回転速度ＮＥ（ｋ）及び今回の燃焼行程に対するＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）を入力するようになっている。運転状態量遅延手段Ｂ８は、これらのデータをＲＡＭ７３内に格納し、格納したデータの中から前回の燃焼行程に対する機関の負荷ＫＬ（ｋ−１）、前回の燃焼行程に対する機関回転速度ＮＥ（ｋ−１）及び前回の燃焼行程に対するＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ−１）を出力するようになっている。

第２ＭＦＢ計算モデルＢ９は、上記ＭＦＢ計算モデルＡ２及び上記第１ＭＦＢ計算モデルＢ２が備える燃焼状態モデルと同一の燃焼状態モデル（即ち、上記（４）式乃至（６）式により表されたＷｉｅｂｅ関数）を備えている。第２ＭＦＢ計算モデルＢ９は、点火時期データ遅延手段Ｂ３から出力される点火時期ＳＡ（ｋ−１）を入力するとともに、運転状態量遅延手段Ｂ８から出力される運転状態量（負荷ＫＬ（ｋ−１）、ＮＥ（ｋ−１）及びＶＶＴ（ｋ−１））を入力するようになっている。

更に、第２ＭＦＢ計算モデルＢ９は、前記入力した運転状態量（ＳＡ（ｋ−１）、ＫＬ（ｋ−１）、ＮＥ（ｋ−１）及びＶＶＴ（ｋ−１））を前記燃焼状態モデルに適用することにより、前回の燃焼行程中の所定タイミングであるＡＴＤＣ ８°における燃焼割合ＭＦＢ８（ｋ−１）（即ち、計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ−１））を予測（算出）するようになっている。

モデル誤差量算出手段Ｂ１０は、実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）から計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ−１）を減じることによりモデル誤差量GosaＭＤＬを算出するようになっている。

以上の各手段により、第２制御装置は、モデル誤差量GosaＭＤＬを、実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）から計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ−１）を減じることにより取得する。この実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）と計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ−１）とは、互いに同じ点火時期ＳＡ（ｋ−１）及び運転状態量（ＫＬ（ｋ−１）、ＮＥ（ｋ−１）及びＶＶＴ（ｋ−１））によりもたらされた値である。しかも、計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ−１）は、燃焼状態モデルに基づいて算出された値に何らの補正も加えられていない値である。

従って、モデル誤差量GosaＭＤＬは、燃焼状態モデルが有するモデル誤差を直接的に反映した値となるので、モデル誤差量GosaＭＤＬにより今回の燃焼行程に対して予測された計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）を補正する第２制御装置は、より直接的に燃焼状態モデルが有するモデル誤差を補償することができる。その結果、点火時期制御に使用される補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）が迅速且つより精度良く推定されるので、過渡運転状態を含めて機関の点火時期をより適正値に近づけることができる。

図１７は、負荷ＫＬ及びＶＶＴ進角量ＶＶＴが変化した場合における各値の変化を測定した結果を示したタイムチャートである。図１７において実線Ｄａは第２制御装置における点火時期、破線Ｄｂは従来の装置における点火時期を示している。また、実線Ｅａは第２制御装置における８°燃焼割合ＭＦＢ８、破線Ｅｂは従来の装置（実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）によって点火時期を定める装置）における８°燃焼割合ＭＦＢ８を示している。なお、この例において目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔは６０％である。

図１７から明らかなように、従来の装置による８°燃焼割合ＭＦＢ８は負荷ＫＬ及びＶＶＴ進角量ＶＶＴが変化してから収束するまでに長い時間Ｔｂを要し、且つ、８°燃焼割合ＭＦＢ８の変動幅もＷｂと大きくなっている。これに対し、第２制御装置による８°燃焼割合ＭＦＢ８は負荷ＫＬ及びＶＶＴ進角量ＶＶＴが変化してから短時間Ｔａにて収束し、且つ、８°燃焼割合ＭＦＢ８の変動幅もＷａと小さくなっている。従って、第２制御装置によれば、過渡運転状態においても点火時期ＳＡが適切に制御され、その結果、８°燃焼割合ＭＦＢ８が目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔから大きく偏移することがないことが確認された。

（実際の作動）
次に、第２制御装置の実際の作動について説明する。なお、以下に説明するルーチンは電気制御装置７０のＣＰＵ７１が特定気筒に対して実行するルーチンである。ＣＰＵ７１は他の気筒に対しても同様なルーチンを実行するようになっている。

ＣＰＵ７１は、第１実施形態と同様、図示しない筒内圧取得ルーチンを微小クランク角度が経過する毎に実行し、そのルーチンが実行された時点のクランク角度θと筒内圧Ｐｃ（θ）とをＲＡＭ７３に格納している。

更に、ＣＰＵ７１は図１８に示したルーチンを、クランク角度が「燃焼行程が実質的に終了した後の所定クランク角度（例えば、ＡＴＤＣ １６０°）」に一致する毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１は図１８のルーチンの処理をステップ１８００から開始し、ステップ１８１０〜ステップ１８４０にて以下の処理を行う。

ステップ１８１０：ＣＰＵ７１は、ステップ１０１０と同様に、上記（３）式を用いて各クランク角度θに対する実燃焼割合ＭＦＢθact（ｋ−１）を算出する。算出される実燃焼割合ＭＦＢθact（ｋ−１）には実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）が含まれている。
ステップ１８２０：ＣＰＵ７１は、ステップ１０２０と同様に、Ｎ°（ここではクランク角度１５°）幅における実燃焼割合ＭＦＢθact（ｋ−１）の変化量ΔＭＦＢを、前記所定の微小クランク角度毎に算出する。

ステップ１８３０：ＣＰＵ７１は、ステップ１０３０と同様に、ステップ１８２０にて算出された燃焼割合変化量ΔＭＦＢの中から最大値（燃焼割合最大変化速度）ΔＭＦＢmaxを取得する。更に、ＣＰＵ７１は、その燃焼割合最大変化速度ΔＭＦＢmaxに対するクランク角度θをクランク角度ＣＡmaxとして取得するとともに、クランク角度ＣＡmaxにおける実燃焼割合ＭＦＢθact（ｋ−１）をＭＦＢcamaxとして取得する。

ステップ１８４０：ＣＰＵ７１は、ステップ１０４０と同様に、ステップ１８３０にて求めた各値と直前の燃焼に対する点火時期ＳＡ（ｋ−１）を上記（８）式に適用することにより全燃焼対応期間ＣＰを推定（算出）する。

次に、ＣＰＵ７１は上述したステップ１２１０乃至ステップ１２４０の処理を実行する。これにより、全燃焼対応期間ＣＰが目標全燃焼対応期間ＣＰｔｇｔと一致するようにＶＶＴ進角量が制御される。次いで、ＣＰＵ７１はステップ１８５０に進み、この時点において今回の燃焼行程に対するＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）として格納されている値を前回の燃焼行程に対するＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ−１）として格納する。

次いで、ＣＰＵ７１はステップ１２５０に進み、吸気弁開弁時期ＩＯから吸気弁開弁基準時期ＩＯintを減じた値を今回の燃焼行程に対するＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）として格納する。吸気弁開弁基準時期ＩＯintは、吸気弁開弁時期が変更され得る範囲内において最も遅角側に設定された場合の吸気弁開弁時期ＩＯである。その後、ＣＰＵ７１はステップ１８９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。

一方、ＣＰＵ７１は図１９に示したルーチンを、クランク角度が所定のクランク角度（例えば、ＢＴＤＣ ９０°）に一致する毎に繰り返し実行している。従って、所定のタイミングになると、ＣＰＵ７１は図１９のルーチンの処理をステップ１９００から開始し、ステップ１９１０〜ステップ１９９０の以下に述べる処理を行った後、ステップ１９９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

ステップ１９１０：ＣＰＵ７１は、燃焼状態に影響を及ぼす運転状態量として、前回の燃焼行程に対する運転状態量、即ち、前回の燃焼行程に対する機関回転速度ＮＥ（ｋ−１）、前回の燃焼行程に対する機関の負荷ＫＬ（ｋ−１）、前回の燃焼行程に対するＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ−１）及び前回の燃焼行程に対する点火時期ＳＡ（ｋ−１）を入力し、それらを機関回転速度ＮＥ、負荷ＫＬ、ＶＶＴ進角量ＶＶＴ及び点火時期ＳＡとして格納する。

ステップ１９２０：ＣＰＵ７１は、ステップ１９１０にて格納した運転状態量（ＮＥ，ＫＬ，ＶＶＴ及びＳＡ）を上記（４）式乃至（６）式により表された燃焼状態モデル（Ｗｉｅｂｅ関数）に適用するとともに、（４）式のクランク角度θに８°を代入すること等により、計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ−１）を算出する。計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ−１）は、前回の燃焼行程の前記特定タイミングにおける燃焼状態の予測量（前回予測燃焼状態量）である。

ステップ１９３０：ＣＰＵ７１は、図１８のステップ１８１０にて求められている実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１）から図１９のステップ１９２０にて求められた計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ−１）を減じることによってモデル誤差量GosaＭＤＬ（補正値）を算出する。

ステップ１９４０：ＣＰＵ７１は、燃焼状態に影響を及ぼす運転状態量として、今回の燃焼行程に対する（現時点の）機関回転速度ＮＥ（ｋ）、今回の燃焼行程に対する（現時点の）機関の負荷ＫＬ（ｋ）、今回の燃焼行程に対する（現時点の）ＶＶＴ進角量ＶＶＴ（ｋ）及び前回の燃焼行程における点火時期ＳＡ（ｋ−１）を入力し、それらを機関回転速度ＮＥ、負荷ＫＬ、ＶＶＴ進角量ＶＶＴ及び点火時期ＳＡとして格納する。

ステップ１９５０：ＣＰＵ７１は、ステップ１９４０にて格納した運転状態量（ＮＥ，ＫＬ，ＶＶＴ及びＳＡ）を上記（４）式乃至（６）式により表された燃焼状態モデル（Ｗｉｅｂｅ関数）に適用するとともに、（４）式のクランク角度θに８°を代入することにより、計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）を算出する。計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）は、今回の燃焼行程の前記特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を今回予測燃焼状態量である。

ステップ１９６０：ＣＰＵ７１は、ステップ１９５０にて求められた計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）にステップ１９３０にて求められたモデル誤差量GosaＭＤＬを加えた値を補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）として格納する。

ステップ１９７０：ＣＰＵ７１は、ステップ１５４０と同様に、目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔを決定する。ここでは、目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔは一定値である。
ステップ１９８０：ＣＰＵ７１は、目標燃焼割合ＭＦＢ８ｔｇｔから補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を減じることによりフィードバック制御用偏差ｄＭＦＢ８（＝ｄＭＦＢ８（ｋ））を算出する。
ステップ１９９０：ＣＰＵ７１は、フィードバック制御用偏差ｄＭＦＢ８（ｋ）の値が「０」となるように点火時期をフィードバック制御（比例・積分制御）する。

以上、説明したように、第２制御装置によれば、燃焼状態モデルが有するモデル誤差を直接的に反映したモデル誤差量GosaＭＤＬが求められ、そのモデル誤差量GosaＭＤＬにより今回の燃焼行程に対して予測された計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ）が補正される。その結果、点火時期制御に使用される補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）が遅れなく、且つ、より一層精度良く推定されるので、過渡運転状態を含めて機関の点火時期をより適正値に近づけることができる。

なお、上記第２装置において、筒内圧センサ６５は、燃焼室内における混合気の燃焼状態に応じて変化する物理量を実際に検出する燃焼状態検出センサに相当する。実ＭＦＢ算出手段Ｂ７は、前記燃焼状態検出センサによって検出された物理量に基いて燃焼行程の特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を実燃焼状態量（実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１））として取得する実燃焼状態量取得手段に相当する。

第２ＭＦＢ計算モデルＢ９は、運転状態量と燃焼行程の所定タイミングにおける燃焼状態を表す量との関係を記述する燃焼状態モデルを含むとともに前回の燃焼行程に対する運転状態量を同燃焼状態モデルに適用することにより前回の燃焼行程の前記特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を前回予測燃焼状態量（計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ−１）)として取得する前回予測燃焼状態量取得手段に相当している。

モデル誤差量算出手段Ｂ１０は、前記取得された前回予測燃焼状態量（計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ−１）)と、前記実燃焼状態量取得手段により取得された前回の燃焼行程に対する実燃焼状態量（実燃焼割合ＭＦＢ８act（ｋ−１））と、の差をモデル誤差量（GosaＭＤＬ）として取得するモデル誤差量取得手段に相当している。
第１ＭＦＢ計算モデルＢ２は、燃焼状態モデルを含むとともに今回の燃焼行程に対する運転状態量を同燃焼状態モデルに適用することにより今回の燃焼行程の前記特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を今回予測燃焼状態量（計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ））として取得する今回予測燃焼状態量取得手段に相当している。

予測燃焼状態量補正手段Ｂ４は、前記取得された今回予測燃焼状態量（計算燃焼割合ＭＦＢ８cal（ｋ））を前記モデル誤差量取得手段によって取得されたモデル誤差量（GosaＭＤＬ）によって補正して同今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量（補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ））を取得するモデル誤差補償手段に相当している。なお、第２実施形態に係る点火時期制御装置は、「スミス予測器」により補正後燃焼割合ＭＦＢ８mfd（ｋ）を求めている装置ということもできる。

以上、本発明による点火時期制御装置の各実施形態について説明した。本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記各実施形態においては、吸気弁制御装置３３は吸気弁３２の開弁時期及び閉弁時期のみを調整するように構成されているが、更に吸気弁３２の開弁期間における最大リフト量を調整できるように構成されていてもよい。また、吸気弁制御装置３３は、吸気弁３２の開弁時期及び閉弁時期を互いに独立して調整することができるように構成されていてもよい。更に、上記実施形態において、吸気弁制御装置３３に加え、排気弁３５の閉弁時期、開弁時期、開弁期間中のリフト量等を独立して調整する排気弁制御装置が備えられてもよい。

また、上記実施形態において、燃焼速度に影響を与えるパラメータとして、燃料噴射量ＴＡＵ、冷却水温ＴＨＷ及び空燃比Ａ／Ｆを採用し、これらと下記（１０）式乃至（１３）式に基いて全燃焼対応期間ＣＰを修正し、得られた修正値ＣＰmfdを上記全燃焼対応期間に代えて使用することによりＶＶＴ進角量（吸気弁開弁時期ＩＯ）を制御してもよい。もちろん、これらの何れか一つ、又は、これらのうちの任意の二つの組み合わせによって全燃焼対応期間ＣＰを修正してもよい。

また、ＶＶＴ進角量は、圧縮上死点からＡＴＤＣ１５°までの燃焼割合ＭＦＢact（ｋ−１）の変化量が一定の目標変化量となるように制御されてもよい。更に、上記各実施形態における「燃焼行程の特定タイミングにおける燃焼状態を表す量」は、８°燃焼割合ＭＦＢ８に限定されることはなく、例えば、７°燃焼割合ＭＦＢ７や９°燃焼割合ＭＦＢ９であってもよい。更に、吸気弁制御装置を備えない内燃機関に本発明を適用することもできる。この場合、８°燃焼割合ＭＦＢ８を求める際に使用される上記ＶＶＴ進角量ＶＶＴを一定値に置換しておけばよい。

本発明の第１実施形態に係る点火時期制御装置を適用した内燃機関の概略図である。 点火時期と８°燃焼割合と機関の発生トルクとの関係を示したグラフである。 図１に示した電気制御装置（点火時期制御装置）の機能ブロック図である。 点火時期を変更した場合における実際の燃焼割合のクランク角度に対する変化を示したグラフである。 Ｗｉｅｂｅ関数におけるパラメータαｉを変化させ、他のパラメータｃ、ｄ、及びαｂを一定値としたときの変数ｘに対するｙの変化を示したグラフである。 ＶＶＴ進角量を変更した場合における実際の燃焼割合のクランク角度に対する変化を示したグラフである。 Ｗｉｅｂｅ関数におけるパラメータαｂを変化させ、他のパラメータｃ、ｄ、及びαｉを一定値としたときの変数ｘに対するｙの変化を示したグラフである。 加速時における点火時期、負荷、ＶＶＴ進角量、実際の８°燃焼割合及び改良された燃焼状態モデルによって計算された計算８°燃焼割合ＭＦＢ８の変化の様子を示したグラフである。 従来の制御装置と図１に示した点火時期制御装置とにおける各値の挙動を表したグラフである。 図１に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 膨張行程（燃焼行程）における燃焼割合のクランク角度に対する変化の様子を示したグラフである。 図１に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 点火時期を変化させた場合における、ＣＯ_２排出量、ＨＣ排出量、実質燃焼期間及び全燃焼対応期間のＶＶＴ進角量に対する変化の様子を示したグラフである。 図１４の（Ａ）は実質燃焼期間に対するＨＣの排出量を点火時期別に示したグラフであり、図１４の（Ｂ）は全燃焼対応期間に対するＨＣの排出量を点火時期別に示したグラフである。 図１に示した電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電気制御装置（点火時期制御装置）の機能ブロック図である。 負荷及びＶＶＴ進角量が変化した場合における各値の変化を示したタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電気制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

２５…燃焼室、３７…点火プラグ、３８…イグナイタ、３９…インジェクタ、６５…筒内圧センサ、７０…電気制御装置、Ａ１…目標値設定手段、Ａ２…ＭＦＢ計算モデル、Ａ３…点火時期データ遅延手段、Ａ４…予測燃焼状態量補正手段、Ａ５…フィードバック制御用偏差算出手段、Ａ６…フィードバックコントローラ、Ａ７…実ＭＦＢ算出手段、Ａ９…補正基本量算出手段、Ａ１０…ローパスフィルタ、Ｂ１…目標値設定手段、Ｂ２…第１ＭＦＢ計算モデル、Ｂ３…点火時期データ遅延手段、Ｂ４…予測燃焼状態量補正手段、Ｂ５…フィードバック制御用偏差算出手段、Ｂ６…フィードバックコントローラ、Ｂ７…実ＭＦＢ算出手段、Ｂ８…運転状態量遅延手段、Ｂ９…第２ＭＦＢ計算モデル、Ｂ１０…モデル誤差量算出手段。

Claims (6)

1. 内燃機関の点火時期制御装置であって、
   前記機関の燃焼室内における混合気の燃焼状態に応じて変化する物理量を実際に検出する燃焼状態検出センサと、
   前記燃焼状態検出センサによって検出された物理量に基いて燃焼行程の特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を実燃焼状態量として取得する実燃焼状態量取得手段と、
   前記燃焼状態検出センサが検出する物理量と相違し且つ前記機関の運転状態を表す物理量である運転状態量を取得する運転状態量取得手段と、
   前記運転状態量と燃焼行程の所定タイミングにおける燃焼状態を表す量との関係を記述する燃焼状態モデルを含むとともに前記運転状態量取得手段によって取得された運転状態量を同燃焼状態モデルに適用することにより前記燃焼行程の特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を予測燃焼状態量として取得する予測燃焼状態量取得手段と、
   前記予測燃焼状態量を補正量によって補正することにより補正後予測燃焼状態量を取得する予測燃焼状態量補正手段と、
   前記予測燃焼状態量取得手段と前記予測燃焼状態量補正手段とにより前回の燃焼行程に対して取得された補正後予測燃焼状態量と、前記実燃焼状態量取得手段により同前回の燃焼行程に対して取得された実燃焼状態量と、の差、に基づいて前記補正量を算出する補正量算出手段と、
   前記予測燃焼状態量補正手段が前記補正量算出手段により算出された補正量によって前記予測燃焼状態量取得手段により取得される今回の燃焼行程に対する前記予測燃焼状態量を補正することにより取得される同今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量に基づいて前記機関の点火時期を制御する点火時期制手段と、
   を備えた点火時期制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御装置において、
   前記予測燃焼状態量取得手段は、前記前回の燃焼行程に対する点火時期と前記運転状態量取得手段により取得された前記今回の燃焼行程に対する点火時期以外の運転状態量とを前記燃焼状態モデルに適用することにより、前記今回の燃焼行程に対する予測燃焼状態量を取得するように構成された点火時期制御装置。
3. 内燃機関の点火時期制御装置であって、
   前記機関の燃焼室内における混合気の燃焼状態に応じて変化する物理量を実際に検出する燃焼状態検出センサと、
   前記燃焼状態検出センサによって検出された物理量に基いて燃焼行程の特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を実燃焼状態量として取得する実燃焼状態量取得手段と、
   前記燃焼状態検出センサが検出する物理量と相違し且つ前記機関の運転状態を表す物理量である運転状態量を取得する運転状態量取得手段と、
   前記運転状態量と燃焼行程の所定タイミングにおける燃焼状態を表す量との関係を記述する燃焼状態モデルを含むとともに前記運転状態量取得手段によって取得された前回の燃焼行程に対する運転状態量を同燃焼状態モデルに適用することにより前回の燃焼行程の前記特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を前回予測燃焼状態量として取得する前回予測燃焼状態量取得手段と、
   前記取得された前回予測燃焼状態量と、前記実燃焼状態量取得手段により取得された前回の燃焼行程に対する実燃焼状態量と、の差をモデル誤差量として取得するモデル誤差量取得手段と、
   前記燃焼状態モデルを含むとともに前記運転状態量取得手段によって取得された今回の燃焼行程に対する運転状態量を同燃焼状態モデルに適用することにより今回の燃焼行程の前記特定タイミングにおける燃焼状態を表す量を今回予測燃焼状態量として取得する今回予測燃焼状態量取得手段と、
   前記取得された今回予測燃焼状態量を前記モデル誤差量取得手段によって取得されたモデル誤差量によって補正して同今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量を取得するモデル誤差補償手段と、
   前記取得された今回の燃焼行程に対する補正後予測燃焼状態量に基づいて前記機関の点火時期を制御する点火時期制御手段と、
   を備えた点火時期制御装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の点火時期制御装置において、
   前記前回予測燃焼状態量取得手段は、前記前回の燃焼行程に対する点火時期と前記運転状態量取得手段により取得された前記前回の燃焼行程に対する点火時期以外の運転状態量とを前記燃焼状態モデルに適用することにより前記前回予測燃焼状態量を取得するように構成され、
   前記今回予測燃焼状態量取得手段は、前記前回の燃焼行程に対する点火時期と前記運転状態量取得手段により取得された前記今回の燃焼行程に対する点火時期以外の運転状態量とを前記燃焼状態モデルに適用することにより前記今回予測燃焼状態量を取得するように構成された点火時期制御装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の内燃機関の点火時期制御装置において、
   前記燃焼状態検出センサは前記混合気の燃焼状態に応じて変化する物理量として前記燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサであり、
   前記実燃焼状態量取得手段は前記実燃焼状態量として前記燃焼室において燃焼した総ての燃料のうちピストンに対する仕事に寄与した燃料の総量に対する前記特定タイミングまでに同燃焼室において燃焼した燃料のうちピストンに対する仕事に寄与した燃料の積算量の割合である燃焼割合を取得するように構成され、
   前記燃焼状態モデルは前記運転状態量と前記燃焼行程の所定タイミングにおける燃焼状態を表す量としての燃焼割合との関係を記述してなる点火時期制御装置。
6. 請求項５に記載の内燃機関の点火時期制御装置において、
   前記燃焼状態モデルは、圧縮上死点後のクランク角度θにおける燃焼割合ＭＦＢθを、
   ＭＦＢθ＝１−exp{−c・((θ＋αi)／αb)^d}
   により近似するＷｉｅｂｅ関数であり、
   パラメータｃ及びパラメータｄは一定値であり、パラメータαｉは点火時期に基いて変化し、パラメータαｂは吸気弁と排気弁とが同時に開弁するオーバーラップ期間に基いて変化するように構成されたモデルである点火時期制御装置。

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