JP5769785B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に内燃機関の点火時期を制御する内燃機関の制御装置に関するものである。

内燃機関の燃費性能やエミッション性能を良好にしたり、ノッキングを防止したりする上では、点火時期の制御が重要である。そこで、従来では、内燃機関の構成部品の製造ばらつきや経時変化、あるいは運転環境の変化などにより、内燃機関の個体毎に異なる最適な点火時期を実現するために、所定のクランク角度における目標燃焼割合を運転状態に応じて設定し、所定のクランク角度における実際の燃焼割合がその目標燃焼割合となるように、点火時期をフィードバック制御する装置が開示されている。

しかしながら、内燃機関にはサイクル毎の燃焼変動が存在するものである。すなわち、内燃機関の運転状態が変化していなくても、気筒内での混合気の燃焼の様子は、サイクル毎に変化する。この主な原因は、気筒内の空燃比や、気筒内に残留している前サイクルの燃え残りのガス量、気筒内の混合気のかき混ざり具合（乱れ）などがサイクル毎にランダムに変化するためである。この燃焼変動の存在により、点火時期を含めた運転状態が同じであっても、実際の燃焼割合とクランク角度の関係はサイクル毎に変動する。従って、サイクル毎に算出される所定の燃焼割合となるクランク角度を目標値に収束させるために、フィードバック制御装置によって点火タイミングを補正すると、その補正後の点火タイミングは、サイクル毎に変動することとなる。

一方、特開２００８−１３８５９６号公報（特許文献１）には、点火時期モデルを用いて点火タイミングを算出し、カルマンフィルタ理論を応用した計算手法によって点火時期モデルを更新する装置が開示されている。この装置では、サイクル毎の燃焼変動に起因して発生する燃焼割合とクランク角度の関係の変動が正規分布に一致するとの仮定の下でカルマンフィルタを利用してフィルタリングしている。

特開２００８−１３８５９６号公報

上述したように、特許文献１に開示された技術は、カルマンフィルタを利用して点火時期モデルを修正しながら点火タイミングを設定するため、サイクル毎の燃焼変動が存在する条件下でも、所定の燃焼割合に対するクランク角度を目標のクランク角度となるように制御することが可能である。しかしながら、カルマンフィルタ理論を応用した点火時期の計算手法では、過去のサイクルで計算した結果を保管するための大規模なメモリ容量を必要とし、また、複雑かつ多大な計算量を各気筒での点火毎に実施する必要がある。このため、内燃機関の点火時期制御を実現するための制御装置に大きなデータ記憶領域を確保する必要や高速な演算処理が必要となり、この結果、内燃機関の制御装置のコストが高くなってしまうという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、データ記憶領域の使用量と計算量の増大を抑えつつ、所定の燃焼割合に対応するクランク角度が目標のクランク角度に迅速に収束するように点火タイミングを制御することにより、安価な内燃機関の制御装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段の検出結果を基に、運転状態に応じて点火タイミングの初期値を設定する基本点火タイミング設定手段と、前記運転状態検出手段の検出結果を基に、各燃焼サイクルにおいて燃焼開始から燃焼終了に至るまでに発生する総熱発生量と、燃焼開始から所定の時点に至るまでに発生する熱発生量と、前記総熱発生量に対する前記熱発生量の割合である燃焼割合とを算出する燃焼割合算出手段と、前記燃焼割合算出手段により算出される燃焼割合が、５０％近傍の値に到達する時点のクランク角度を算出する燃焼割合クランク角度算出手段と、前記燃焼割合クランク角度算出手段で算出されたクランク角度をフィルタ処理する燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段と、内燃機関の運転状態を基に、その運転状態に適した燃焼割合の目標クランク角度を設定する目標燃焼割合クランク角度設定手段と、前記燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段でフィルタ処理されたクランク角度と、前記目標燃焼割合クランク角度設定手段で設定した目標クランク角度との偏差を算出するクランク角度偏差算出手段と、前記基本点火タイミング設定手段によって設定された点火タイミングの初期値に対して、前記燃焼割合クランク角度算出手段によって算出されたクランク角度が目標クランク角度に収束するように点火タイミングをフィードバック制御する点火タイミング補正手段と、前記燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段におけるフィルタ処理に用いるフィルタ定数を、前記クランク角度偏差算出手段が算出した偏差を基に算出するフィルタ定数算出手段と、を備えたものである。

この発明に係る内燃機関の制御装置は、前記構成により、５０％近傍の燃焼割合に対応するクランク角度が、サイクル毎の燃焼変動の影響を大きく受けて変動が大きくなる目標クランク角度近傍にある場合、すなわち目標クランク角度との偏差が小さい場合には、大きなフィルタ定数を適用することによりフィードバック制御による点火時期の制御性を安定させることができ、一方、５０％近傍の燃焼割合に対応するクランク角度が、目標クランク角度から離れている場合、すなわち目標クランク角度との偏差が大きい場合には、燃焼変動の影響によるクランク角度の変動が小さいことから、フィルタ定数を小さくしてフィードバック制御による迅速な点火時期制御の応答性を得ることができる。

この発明の実施の形態１から５に係る内燃機関と内燃機関の制御装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置における点火時期制御の基本的概念構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１から５に係るクランク角度と燃焼割合の関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１から５に係る内燃機関の制御装置における点火時期制御の概念構成の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１から５に係る燃焼割合クランク角度算出手段の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１から５に係る燃焼割合クランク角度算出手段で燃焼割合が５０％となるクランク角度を算出する方法を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係るフィルタ定数算出手段の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係わるフィルタ定数算出手段のフィルタ定数テーブルの特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１から５に係る点火タイミング補正手段の制御方法を説明するための点火タイミングと燃焼割合が５０％となるクランク角度の関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１から５に係る点火タイミング補正手段の構成を説明するためのブロック図である。 この発明の実施の形態２から５に係る内燃機関の制御装置における点火時期制御の基本的な概念構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係るフィルタ定数算出手段の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係るフィルタ定数算出手段のフィルタ定数マップの特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態３に係るフィルタ定数算出手段の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係るフィルタ定数算出手段のフィルタ定数マップの特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態４に係るフィルタ定数算出手段の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態４に係るフィルタ定数算出手段のフィルタ定数マップの特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態５に係るフィルタ定数算出手段の処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態５に係るフィルタ定数算出手段のフィルタ定数マップの特性を示す説明図である。

以下、この発明に係る内燃機関の制御装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る内燃機関と内燃機関の制御装置の構成を示す図である。図１において、内燃機関１の吸気側の上流に吸入空気量を検出するエアーフローセンサ２が設けられている。エアーフローセンサ２の下流となる内燃機関１側には、内燃機関１の燃焼室内へ燃料を供給するインジェクタ３が設けられ、内燃機関１の排気側には内燃機関１の排気ガスの空燃比を計測する空燃比センサ４が設けられている。内燃機関１の吸気側と排気側との間には、内燃機関１が排出した排気ガスを内燃機関１の吸気側に還流する量を調整するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）バルブ５が設けられている。
なお、吸入空気量の検出にはエアーフローセンサ２を用いる代わりに、図示しないサージタンク及びインテークマニホールド内を含む空間の圧力であるインマニ圧に基づいて吸入空気量を推定するなど、別の吸入空気量を測定する手段を用いるようにしても良い。

また、内燃機関１の燃焼室には、燃焼室内部に火花を点火する点火プラグ６と、燃焼室内部に吸入する空気を導入する吸気バルブ７と、燃焼室から燃焼ガスを排出させる排気バルブ８、および燃焼室の圧力を計測する気筒内圧センサ９が設けられている。吸気バルブ７は吸気ＶＶＴ（Variable Valve Timing）１０により開閉タイミングが調整され、排気バルブ８は排気ＶＶＴ１１により開閉タイミングが調整される。

更に、内燃機関１のクランクシャフトの角度位置を検出するクランク角センサ１２と、制御装置（以下、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）という。）１３が設けられている。ＥＣＵ１３は、クランク角センサ１２、気筒内圧センサ９、エアーフローセンサ２、空燃比センサ４などから内燃機関１の運転状態を検出して供給燃料量、ＥＧＲ率、吸気バルブタイミング、排気バルブタイミングを制御しつつ、内燃機関１の運転状態に応じて点火タイミングを最適化する点火時期制御部１３Ａを備えている。

図２は、ＥＣＵ１３における点火時期制御部１３Ａの基本的概念構成を示すブロック図で、基本的な処理の流れを示している。
図２に示すＥＣＵ１３の点火時期制御部１３Ａは、基本点火タイミング設定手段１３０１、燃焼割合算出手段１３０２、燃焼割合クランク角度算出手段１３０３、燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段１３０４、目標燃焼割合クランク角度設定手段１３０５、クランク角度偏差算出手段１３０６、点火タイミング補正手段１３０７、フィルタ定数算出手段１３０８を備えて構成されている。なお、符号１３０９は運転状態検出手段を示している。

基本点火タイミング設定手段１３０１は、内燃機関１に設けられる各種センサ（例えば、図１で示すクランク角センサ１２、エアーフローセンサ２）の出力から取得した運転状態（例えば、内燃機関１の回転速度や充填効率）より、その運転状態に適切な値として予め実験などにより設定された点火タイミングの初期値が設定されている。

燃焼割合算出手段１３０２は、気筒内圧センサ９の出力から、図３に示す各クランク角度（例えば、点火タイミングから圧縮上死点（ＴＤＣ）の後１８０ｄｅｇの区間）に対応する燃焼割合を燃焼サイクル毎に算出する。

燃焼割合クランク角度算出手段１３０３は、燃焼割合算出手段１３０２が算出した各クランク角度に対応する燃焼割合を基に、所定の燃焼割合（例えば５０％）に対応するクランク角度を算出する。

燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段１３０４は、燃焼割合クランク角度算出手段１３０３で、燃焼サイクル毎に算出されたクランク角度に対して、ディジタル１次遅れフィルタを適用する。

目標燃焼割合クランク角度設定手段１３０５は、内燃機関１の運転状態に応じて、燃費性能やエミッション性能が良好となるように、所定の燃焼割合に対応する目標のクランク角度を設定する。

クランク角度偏差算出手段１３０６は、燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段１３０４が算出したフィルタ処理後のクランク角度と目標燃焼割合クランク角度設定手段１３０５が設定したクランク角度の偏差を算出する。

点火タイミング補正手段１３０７は、クランク角度偏差算出手段１３０６が算出したクランク角度の偏差を基に、燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段１３０４が算出するクランク角度が目標燃焼割合クランク角度設定手段１３０５の設定するクランク角度に収束するように点火タイミングを補正する。

フィルタ定数算出手段１３０８は、クランク角度偏差算出手段１３０６が算出するクランク角度の偏差より、燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段１３０４に適用するフィルタ定数を算出する。

次に、前述したＥＣＵ１３における点火時期制御の概念構成の処理の流れを、図４のフローチャートを用いて詳細に説明する。
ステップＳ４０１において、クランク角センサ１２、エアーフローセンサ２など、内燃機関１に設けられた各種センサから内燃機関１の運転状態を読み込む。この例では、運転状態として内燃機関１の回転速度Ｎｅと充填効率Ｅｃを読み込む。また、クランク角センサ１２は、クランクシャフトが１ｄｅｇ回転する毎に、クランク角度信号を入力する。

次にステップＳ４０２において、基本点火タイミング設定手段１３０１で点火タイミングの初期値θｂを、ステップＳ４０１にて読み込んだ回転速度Ｎｅ、充填効率Ｅｃを用いて、θｂ＝ＤＶ＿ＢＳＥ（Ｎｅ、Ｅｃ）として算出する。なお、ＤＶ＿ＢＳＥ（Ｎｅ、Ｅｃ）は、基本点火タイミングのマップであり、代表的な内燃機関を用いて、標準的な条件で、燃費あるいはエミッション性能が良好となるように予め実験的に設定されている。

次にステップＳ４０３において、目標燃焼割合クランク角度設定手段１３０５で燃焼割合が５０％となるクランク角度の目標値θＴ＿ＭＦＢ５０％を、目標マップであるθＴＲＧＴ＿ＭＦＢ５０（Ｎｅ、Ｅｃ）からステップＳ４０１にて読み込んだＮｅ、Ｅｃを用いて読み出す。θＴＲＧＴ＿ＭＦＢ５０（Ｎｅ、Ｅｃ）は、代表的な内燃機関を用いて、標準的な条件で、燃費あるいはエミッション性能が良好となるように予め実験的に設定されている。なお、一般的には、燃費あるいはエミッション性能に対して、燃焼割合が５０％となるクランク角度をＴＤＣ後８ｄｅｇ近傍に設定することが望ましいとされている。

次にステップＳ４０４において、燃焼割合算出手段１３０２にて各クランク角度毎の燃焼割合を算出する。具体的には、点火タイミングθｓｐｒｋ直後に初めてクランク角度信号が入力されたタイミングから、気筒内圧センサ９を用いて内燃機関１の気筒内圧力Ｐｃ（ｎ）をサンプリングする。また、初めてクランク角度信号が入力されたタイミングのサンプリング番号をｎ＝１とする。次に気筒内圧力Ｐｃ（ｎ）から熱発生率△Ｑ（ｎ）を算出する。

以降、１ｄｅｇ毎にクランク角度信号が入力されるタイミングをｎ＝２、３、・・・として、燃焼終了時（例えば、ＴＤＣ後１８０ｄｅｇ）まで、同様に気筒内圧力Ｐｃ（ｎ）をサンプリングし、熱発生率△Ｑ（ｎ）を算出する。燃焼終了後に、総発熱量Ｑ＿Ｔｏｔｌを、Ｑ＿Ｔｏｔｌ＝Σ△Ｑ（ｋ）として算出する。ここで、Σはｋ＝１から燃焼終了時までの総サンプリング回数Ｎの総和である。

次に、サンプリングしたクランク角度毎の燃焼割合ＭＦＢ（ｎ）を、ＭＦＢ（ｎ）＝Σ△Ｑ（ｋ）／Ｑ＿Ｔｏｔｌ×１００％として算出する。ここで、Σはｋ＝１からサンプリング番号ｎまでの総和である。

燃焼割合クランク角度算出手段１３０３は、燃焼割合算出手段１３０２で算出したクランク角度毎の燃焼割合ＭＦＢ（ｎ）（ｎ＝１〜Ｎ）より、燃焼割合が５０％となるクランク角度θＭＦＢ５０％を算出する。この処理の流れを図５のフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップＳ５０１でカウンタｎを１にリセットする。次に、ステップＳ５０２でｎ番目に気筒内圧をサンプリングして算出した燃焼割合ＭＦＢ（ｎ）が５０％以上か否かを判断する。ステップＳ５０２においてＹＥＳの場合は、点火タイミング後、ｎ番目のサンプリングのタイミングで初めて燃焼割合が５０％以上となったと判断し、ステップＳ５０３に進む。ＮＯの場合は、燃焼割合が５０％以上となるのは、ｎ＋１番目のサンプリング以降であると判断し、ステップＳ５０４でカウンタをインクリメントした後、ステップＳ５０２に戻る。

ステップＳ５０３では、点火タイミング後、初めて燃焼割合が５０％以上となるクランク角度θｔｍｐを、θｔｍｐ＝ＩＮＴ（θｓｐｒｋ）＋ｎとして算出する。ここで、ＩＮＴ（ ）は、カッコ内の引数の小数点以下を切り捨てて整数化する関数である。例えば、点火タイミングθｓｐｒｋが３．９ｄｅｇの場合は、ＩＮＴ（θｓｐｒｋ）＝３ｄｅｇとなる。

次に、ステップＳ５０５で、θＲ＿ＭＦＢ５０％を、θＲ＿ＭＦＢ５０％＝｛５０−ＭＦＢ（ｎ）｝／｛ＭＦＢ（ｎ）−ＭＦＢ（ｎ−１）｝＋θｔｍｐとして算出する。この式は、図６に示すとおり、燃焼割合が５０％以上となるクランク角度の前後にサンプリングした２つのクランク角度から、燃焼割合が５０％となるクランク角度を線形補間で求めるための式である。

図４に戻り、ステップＳ４０５において、後述するステップＳ４０６で適用するディジタル１次フィルタのフィルタ定数ＫＦ＿ｂ（ｔ）をフィルタ定数算出手段１３０８で算出する。ここで、ｔは燃焼サイクル毎に更新される時刻を示す。この処理の流れを図７のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ７０１でｔ≠０、すなわち初回の燃焼サイクルか否かを判断する。ステップＳ７０１でＹＥＳの場合、すなわち初回の燃焼サイクルでない場合は、ステップＳ７０２へ進み、ＮＯの場合、すなわち初回の燃焼サイクルの場合は、ステップＳ７０３でＫＦ＿ｂ（ｔ）＝０として処理を終了する。ステップＳ７０２では、後述するステップＳ４０７で算出されるクランク角度θＦＲ＿ＭＦＢ５０％とクランク角度の目標値θＴ＿ＭＦＢ５０％の偏差θｅを用いて、ＫＦ＿ｂ（ｔ）＝ＴＦＩＬＴＥＲ＿ｂ（θｅ（ｔ−１））として算出する。ここで、ＴＦＩＬＴＥＲ＿ｂ（θｅ）は、フィルタ定数の２次元テーブルであり、その設定内容の詳細については後述する。

再び図４に戻り、ステップＳ４０６において、燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段１３０４で、ステップＳ４０４で算出したクランク角度θＲ＿ＭＦＢ５０％（ｔ）に対して、フィルタ処理を適用したクランク角度ＲＦ＿ＭＦＢ５０％（ｔ）を、ＲＦ＿ＭＦＢ５０％（ｔ）＝ＫＦ＿ｂ（ｔ）×ＲＦ＿ＭＦＢ５０％（ｔ−１）＋（１−ＫＦ＿ｂ（ｔ））×θＲ＿ＭＦＢ５０％（ｔ）として算出する。この式は、ディジタル１次遅れフィルタであり、サイクル毎の燃焼変動に起因して発生するθＲ＿ＭＦＢ５０％の変動を抑制したθＦＲ＿ＭＦＢ５０％を用いて後述する点火タイミング補正手段１３０７で安定した点火時期制御を実現している。

次にステップＳ４０７において、クランク角度偏差算出手段１３０６にて、フィルタ処理後のクランク角度θＦＲ＿ＭＦＢ５０％とクランク角度の目標値θＴ＿ＭＦＢ５０％の偏差θｅを、θｅ＝θＦＲ＿ＭＦＢ５０％−θＴ＿ＭＦＢ５０％として算出する。

次にステップＳ４０８において、点火タイミング補正手段１３０７にて、燃焼割合が５０％となるクランク角度が目標値となるように、クランク角度偏差算出手段１３０６で算出した偏差θｅを基に点火タイミングのフィードバック制御を行う。図９は点火タイミングと燃焼割合が５０％となるクランク角度の関係を示した図である。図９中に示した３種類の点火タイミングθｓｐｒｋ１、θｓｐｒｋ２、θｓｐｒｋ３はそれぞれ、θｓｐｒｋ１＜θｓｐｒｋ２＜θｓｐｒｋ３であり（θｓｐｒｋ３が最も遅角側）、点火タイミングを遅角させると燃焼割合が５０％となるクランク角も遅角する。従って、燃焼割合が５０％となるクランク角が目標値よりも遅角側にある場合は、点火タイミングを進角側に修正することで目標値へ収束させることが出来る。この処理を図１０の制御ブロック図を用いて説明する。

図１０は、図２から点火タイミング補正手段１３０７の説明に必要な部分を抜粋したものである。図１０の点線部で囲まれた部分が点火タイミング補正手段１３０７であり、いわゆるＰＩ制御部である。このＰＩ制御部は、θＦＲ＿ＭＦＢ５０％とθＴ＿ＭＦＢ５０％の偏差θｅを入力とし、θｅに比例ゲインＫｐを乗じたものと、θｅの積算値に積分ゲインＫｉを乗じたものを合算して点火タイミングの補正量θｃを算出する。ここで、Σは偏差θｅを燃焼サイクル毎に積算する積分部を示している。前述した通り、点火タイミングの補正方向は、偏差θｅの符号と逆の関係にあるため、内燃機関１の点火プラグ６への点火信号を与える最終的な点火タイミングθｓｐｒｋは、基本点火タイミングθｂから補正量θｃを減算した値、すなわち、θｓｐｒｋ＝θｂ−θｃとなる。

次に、前述したステップＳ４０５のフィルタ定数の２次元テーブルＴＦＩＬＴＥＲ＿ｂ（θｅ）の設定内容について説明する。このテーブルには、図８（ａ）に示す特性となるように、その値が図８（ｂ）で示すように設定されている。図８（ａ）に示す特性は、偏差θｅが±０に近い場合にフィルタ定数が大きく、偏差θｅの絶対値が大きくなるにつれてフィルタ定数が小さくなっている。この様な特性を２次元テーブルＴＦＩＬＴＥＲ＿ｂ（θｅ）に設定することにより、１燃焼サイクル前のθＦＲ＿ＭＦＢ５０％がクランク角度の目標値θＴ＿ＭＦＢ５０％に近い場合には、燃焼変動に起因するθＲ＿ＭＦＢ５０％の変動に対して、次の燃焼サイクルのθＦＲ＿ＭＦＢ５０％の変動が抑制される。一方、θＦＲ＿ＭＦＢ５０％がクランク角度の目標値θＴ＿ＭＦＢ５０％から離れている場合には、θＲ＿ＭＦＢ５０％の変化に対して、速くθＦＲ＿ＭＦＢ５０％が追従する。

前述の通り、燃焼割合が５０％となるクランク角度の目標値マップθＴＲＧＴ＿ＭＦＢ５０（Ｎｅ、Ｅｃ）は、燃費あるいはエミッション性能が良好となるように設定されている。燃費あるいはエミッション性能が良好になる燃焼の状態とは、公知の通り、その点火タイミングが、ＭＢＴ（Minimum dvnce for Best Torque）に設定されている状態である。しかしながら、ＭＢＴ近傍は、軽度のノッキングが高頻度で発生する運転領域であり、例えば気筒内の混合気のかき混ざり具合が変化して、燃焼速度が少しでも速くなると比較的強度の大きいノッキングが生じてしまうことがある。強度の大きなノッキングが発生すると、ノッキング発生後に直ちに燃焼が終了してしまう（燃焼が終了する時点で燃焼割合が１００％となる）ため、この燃焼サイクルにおけるクランク角度に対する燃焼割合は、ノッキングが発生していない場合から変化する。この結果、燃焼割合が５０％となるクランク角度も変化することとなる。これが、点火タイミングをＭＢＴ点に近づけるほど、燃焼割合が５０％となるクランク角度の変動が大きくなる理由である。

そこで本実施の形態１では、点火タイミングがＭＢＴ近傍となるように、燃焼割合が５０％となるクランク角度をＴＤＣ後８ｄｅｇ近傍に設定した場合に発生するθＲ＿ＭＦＢ５０％の大きな変動に対して、大きなフィルタ定数を適用し、変動が抑制されたθＦＲ＿ＭＦＢ５０％を算出する。これにより、クランク角度偏差算出手段１３０６で算出される偏差θｅの変動が抑制されるので、点火タイミング補正手段１３０７による点火時期のフィードバック制御で算出される点火タイミングの補正量も安定する。

一方、燃焼割合が５０％となるクランク角度が目標値から離れている場合は、ノッキングが発生しないので燃焼変動は小さく、θＲ＿ＭＦＢ５０％の変動も小さい。従って、小さいフィルタ定数を適用することにより、θＦＲ＿ＭＦＢ５０％の算出に対する燃焼割合が５０％となるクランク角度の瞬時値、すなわちθＲ＿ＭＦＢ５０％の反映率を高めて、偏差θｅを点火タイミング補正手段１３０７に適用する。この結果、値の大きいθｅに対応した大きなフィードバック制御量が算出されることになるため、燃焼割合が５０％となるクランク角度を目標値近傍へ迅速に収束させることが出来る。

以上のように、実施の形態１によれば、燃焼割合が５０％となるクランク角度と目標値との偏差を算出し、その偏差が小さいときには、点火タイミングのフィードバック制御への入力として適用するディジタル１次遅れフィルタのフィルタ定数を大きくすることにより、安定した点火時期制御を実現することができる。一方、偏差が大きいときには、このフィルタ定数を小さくすることにより、燃焼割合が５０％となるクランク角度を目標値に迅速に収束させることができる。これらの方法は、簡単なディジタル１次遅れフィルタや２次元テーブルで実現することができるため、大きなデータ記憶領域や高速な演算装置を必要としない。このため、内燃機関の制御装置を安価な部品で構成することができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る内燃機関の制御装置について説明する。実施の形態１において、ＥＧＲバルブ５の開度を大きくして、内燃機関１が排出した排気ガスを内燃機関１の吸気側に還流させる量を多くした場合、すなわちＥＧＲ率が増大した場合に、還流させる量が少ない場合と比較して燃焼変動が大きくなる。これは、還流された排気ガスにより、気筒内における燃焼時のガス温度が低下することと、火炎の伝播が遅くなることで燃焼が不安定になるためである。そのため、ＥＧＲ率が多い場合にＥＧＲ率が少ない状態で設定したフィルタ定数Ｋｆ＿ｂをディジタル１次遅れフィルタに適用しても、燃焼変動に起因するθＲ＿ＭＦＢ５０％の変動が十分に抑制されていないθＦＲ＿ＭＦＢ５０％を算出してしまい、燃焼割合が５０％となるクランク角度が目標値近傍になった場合に、点火時期の制御が安定しなくなる。

実施の形態２はこの問題を解決するものであり、以下その実施形態について説明する。なお、内燃機関と内燃機関の制御装置の構成、点火時期制御部の基本処理、燃焼割合クランク角度算出手段の処理は、それぞれ、実施の形態１で説明した図１、図４、図５、図１０と同一であるため、説明は省略する。

図１１は、実施の形態２に係る内燃機関の制御装置のＥＣＵにおける点火時期制御部の基本的な概念構成を示すブロック図で、基本的な処理の流れを示している。また、図１２は、実施の形態２に係るフィルタ定数算出手段の処理を示している。これらは、それぞれ実施の形態１の図２、図７から処理の内容が変更されている。

図１１のブロック図において、ＥＣＵ１３は点火時期制御部１３Ｂを備えており、点火時期制御部１３Ｂには、図２のブロック図に対して、運転状態検出手段１３０９からフィルタ定数算出手段１３０８に運転状態の情報を伝達する流れが追加されている。これは、運転状態検出手段１３０９からＥＧＲバルブ５によるＥＧＲの量、すなわちＥＧＲ率をフィルタ定数算出手段１３０８に伝達するためである。

実施の形態２に係る内燃機関の制御装置は上記のように構成されており、フィルタ定数算出手段１３０８の処理の流れが実施の形態１と異なるのみである。
図１２は、フィルタ定数算出手段１３０８の処理の流れを示すフローチャートで、このフローチャートのステップＳ７０２Ａのみが、図７のフローチャートから変更されているため、ここではステップＳ７０２Ａの処理内容のみ説明する。

ステップＳ７０２Ａでは、ステップＳ４０６（図４参照）で適用するディジタル１次フィルタのフィルタ定数ＫＦ＿ｂ（ｔ）を、ステップＳ４０７で算出されるクランク角度θＦＲ＿ＭＦＢ５０％とクランク角度の目標値θＴ＿ＭＦＢ５０％との偏差θｅと、運転状態検出手段１３０９から検出されたＥＧＲ率ｒ＿ＥＧＲを用いて、ＫＦ＿ｂ（ｔ）＝ＭＦＩＬＴＥＲ＿２（θｅ（ｔ−１），ｒ＿ＥＧＲ（ｔ−１））として算出する。ここで、ＭＦＩＬＴＥＲ＿２（θｅ，ｒ＿ＥＧＲ）は、図１３（ｂ）に示すフィルタ定数の３次元マップであり、このマップには、図１３（ａ）に示す特性となるように、その値が設定されている。

図１３（ａ）に示す特性は、偏差θｅが±０に近い場合にフィルタ定数が大きく、偏差θｅの絶対値が大きくなるにつれてフィルタ定数が小さくなっている。更に、ＥＧＲ率が大きくなるにつれてフィルタ定数が大きくなっている。この様な特性をＭＦＩＬＴＥＲ＿２（θｅ，ｒ＿ＥＧＲ）に設定することにより、ＥＧＲ率が高く、非常に大きな燃焼変動が発生する場合においても、θＲ＿ＭＦＢ５０％の大きな変動に対して、θＦＲ＿ＭＦＢ５０％の変動は適切に抑制される。

以上のように、実施の形態２によれば実施の形態１と同様の効果が得られ、更に、ディジタル１次遅れフィルタに適用するフィルタ定数をＥＧＲ率に応じてフィルタ定数の大きさを変更するので、燃焼変動に起因するθＲ＿ＭＦＢ５０％の変動が十分に抑制されたθＦＲ＿ＭＦＢ５０％を算出できる。この結果、内燃機関１が排出した排気ガスを内燃機関１の吸気側に還流させる量を多くした状態で、燃焼割合が５０％となるクランク角度が目標値近傍になった場合にも、安定した点火時期の制御を得ることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る内燃機関の制御装置について説明する。実施の形態１において、内燃機関１の回転速度を低くした場合、回転速度が速い場合と比較して燃焼変動が大きくなる。これは、回転速度の低下により、気筒内の混合気の流動速度が低下して火炎の伝播が遅くなり、燃焼が不安定になるためである。そのため、回転速度が低い場合に回転速度が高い状態で設定したフィルタ定数Ｋｆ＿ｂをディジタル１次遅れフィルタに適用しても、燃焼変動に起因するθＲ＿ＭＦＢ５０％の変動が十分に抑制されていないθＦＲ＿ＭＦＢ５０％を算出してしまい、燃焼割合が５０％となるクランク角度が目標値近傍になった場合に、点火時期の制御が安定しなくなる。

実施の形態３はこの問題を解決するものであり、以下その実施形態について説明する。なお、内燃機関と内燃機関の制御装置の構成、点火時期制御部の基本処理、燃焼割合クランク角度算出手段の処理は、それぞれ、実施の形態１で説明した図１、図４、図５、図１０と同一であり、また、ＥＣＵ１３における点火時期制御部の基本的な概念構成を示すブロック図は、実施の形態２で説明した図１１と同一であるため、説明を省略する。

図１４は、実施の形態３に係るフィルタ定数算出手段１３０８の処理の流れを示すフローチャートで、実施の形態１の図７から処理の内容が変更されている。即ち、図１４のフローチャートに示すように、ステップＳ７０２Ｂのみが、図７のフローチャートから変更されており、ここではステップＳ７０２Ｂの処理内容のみ説明する。

ステップＳ７０２Ｂでは、ステップＳ４０６（図４参照）で適用するディジタル１次フィルタのフィルタ定数ＫＦ＿ｂ（ｔ）を、ステップＳ４０７で算出されるクランク角度θＦＲ＿ＭＦＢ５０％とクランク角度の目標値Ｔ＿θＭＦＢ５０％との偏差θｅと、運転状態検出手段１３０９から検出された内燃機関１の回転速度Ｎｅを用いて、ＫＦ＿ｂ（ｔ）＝ＭＦＩＬＴＥＲ＿３（θｅ（ｔ−１），Ｎｅ（ｔ−１））として算出する。ここで、ＭＦＩＬＴＥＲ＿３（θｅ，Ｎｅ）は、図１５（ｂ）に示すフィルタ定数の３次元マップであり、このマップには、図１５（ａ）に示す特性となるように、その値が設定されている。

図１５（ａ）に示す特性は、偏差θｅが±０に近い場合にフィルタ定数が大きく、偏差θｅの絶対値が大きくなるにつれてフィルタ定数が小さくなっている。更に、内燃機関１の回転速度が低くなるにつれてフィルタ定数が大きくなっている。この様な特性をＭＦＩＬＴＥＲ＿３（θｅ，Ｎｅ）に設定することにより、内燃機関１の回転速度が低く、非常に大きな燃焼変動が発生する場合においても、θＲ＿ＭＦＢ５０％の大きな変動に対して、θＦＲ＿ＭＦＢ５０％の変動は適切に抑制される。

以上のように、実施の形態３によれば実施の形態１と同様の効果が得られ、更に、ディジタル１次遅れフィルタに適用するフィルタ定数を内燃機関１の回転速度に応じてフィルタ定数の大きさを変更するので、燃焼変動に起因するθＲ＿ＭＦＢ５０％の変動が十分に抑制されたθＦＲ＿ＭＦＢ５０％を算出できる。この結果、内燃機関１の回転速度が低い状態で、燃焼割合が５０％となるクランク角度が目標値近傍になった場合にも、安定した点火時期の制御を得ることができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４に係る内燃機関の制御装置について説明する。実施の形態１において、内燃機関１の充填効率を低くした場合、充填効率が高い場合と比較して燃焼変動が大きくなる。これは、充填効率の低下により火炎の伝播が遅くなり、燃焼が不安定になるためである。そのため、充填効率が低い場合に充填効率が高い状態で設定したフィルタ定数Ｋｆ＿ｂをディジタル１次遅れフィルタに適用しても、燃焼変動に起因するθＲ＿ＭＦＢ５０％の変動が十分に抑制されていないθＦＲ＿ＭＦＢ５０％を算出してしまい、燃焼割合が５０％となるクランク角度が目標値近傍になった場合に、点火時期の制御が安定しなくなる。

実施の形態４はこの問題を解決するものであり、以下その実施形態について説明する。なお、内燃機関と内燃機関の制御装置の構成、点火時期制御部の基本処理、燃焼割合クランク角度算出手段の処理は、それぞれ、実施の形態１で説明した図１、図４、図５、図１０と同一であるため、説明は省略する。また、ＥＣＵ１３における点火時期制御部の基本的な概念構成を示すブロック図は、実施の形態２で説明した図１１と同一であるため、説明を省略する。

図１６は、実施の形態４に係るフィルタ定数算出手段１３０８の処理の流れを示すフローチャートで、実施の形態１の図７から処理の内容が変更されている。即ち、図１６のフローチャートに示すように、ステップＳ７０２Ｃのみが、図７のフローチャートから変更されており、ここではステップＳ７０２Ｃの処理内容のみ説明する。

ステップＳ７０２Ｃでは、ステップＳ４０６（図４参照）で適用するディジタル１次フィルタのフィルタ定数ＫＦ＿ｂ（ｔ）を、ステップＳ４０７で算出されるクランク角度θＦＲ＿ＭＦＢ５０％とクランク角度の目標値θＴ＿ＭＦＢ５０％との偏差θｅと、運転状態検出手段１３０９から検出された充填効率Ｅｃを用いて、ＫＦ＿ｂ（ｔ）＝ＭＦＩＬＴＥＲ＿４（θｅ（ｔ−１），Ｅｃ（ｔ−１））として算出する。ここで、ＭＦＩＬＴＥＲ＿４（θｅ，Ｅｃ）は、図１７（ｂ）に示すフィルタ定数の３次元マップであり、このマップには、図１７（ａ）に示す特性となるように、その値が設定されている。

図１７に示す特性は、偏差θｅが±０に近い場合にフィルタ定数が大きく、偏差θｅの絶対値が大きくなるにつれてフィルタ定数が小さくなっている。更に、充填効率が低くなるにつれてフィルタ定数が大きくなっている。この様な特性をＭＦＩＬＴＥＲ＿４（θｅ，Ｅｃ）に設定することにより、充填効率が低く、非常に大きな燃焼変動が発生する場合においても、θＲ＿ＭＦＢ５０％の大きな変動に対して、θＦＲ＿ＭＦＢ５０％の変動は適切に抑制される。

以上のように、実施の形態４によれば実施の形態１と同様の効果が得られ、更に、ディジタル１次遅れフィルタに適用するフィルタ定数を充填効率に応じてフィルタ定数の大きさを変更するので、燃焼変動に起因するθＲ＿ＭＦＢ５０％の変動が十分に抑制されたθＦＲ＿ＭＦＢ５０％を算出できる。この結果、充填効率が低い状態で、燃焼割合が５０％となるクランク角度が目標値近傍になった場合にも、安定した点火時期の制御を得ることができる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５に係る内燃機関の制御装置について説明する。実施の形態１において、混合気の空燃比を薄くした場合、空燃比が濃い場合と比較して燃焼変動が大きくなる。これは、混合気中の空燃比を薄くすることにより火炎の伝播が遅くなり、燃焼が不安定になるためである。そのため、空燃比が薄い場合に理論空燃比（＝１４．７）で設定したフィルタ定数Ｋｆ＿ｂをディジタル１次遅れフィルタに適用しても、燃焼変動に起因するθＲ＿ＭＦＢ５０％の変動が十分に抑制されていないθＦＲ＿ＭＦＢ５０％を算出してしまい、燃焼割合が５０％となるクランク角度が目標値近傍になった場合に、点火時期の制御が安定しなくなる。

実施の形態５はこの問題を解決するものであり、以下その実施形態について説明する。なお、内燃機関と内燃機関の制御装置の構成、点火時期制御部の基本処理、燃焼割合クランク角度算出手段の処理は、それぞれ、実施の形態１で説明した図１、図４、図５、図１０と同一であるため、説明は省略する。また、ＥＣＵ１３における点火時期制御部の基本的な概念構成を示すブロック図は、実施の形態２で説明した図１１と同一であるため、説明を省略する。

図１８は、実施の形態５に係るフィルタ定数算出手段１３０８の処理の流れを示すフローチャートで、実施の形態１の図７から処理の内容が変更されている。即ち、図１８のフローチャートに示すように、ステップＳ７０２Ｄのみが、図７のフローチャートから変更されており、ここではステップＳ７０２Ｄの処理内容のみ説明する。

ステップＳ７０２Ｄでは、ステップＳ４０６（図４参照）で適用するディジタル１次フィルタのフィルタ定数ＫＦ＿ｂ（ｔ）を、ステップＳ４０７で算出されるクランク角度θＦＲ＿ＭＦＢ５０％とクランク角度の目標値Ｔ＿θＭＦＢ５０％との偏差θｅと、運転状態検出手段１３０９である空燃比センサ４から検出された空燃比Ｆを用いて、ＫＦ＿ｂ（ｔ）＝ＭＦＩＬＴＥＲ＿５（θｅ（ｔ−１），Ｆ（ｔ−１））として算出する。ここで、ＭＦＩＬＴＥＲ＿５（θｅ，Ｆ）は、図１９（ｂ）に示すフィルタ定数の３次元マップであり、このマップには、図１９（ａ）に示す特性となるように、その値が設定されている。

図１９（ａ）に示す特性は、偏差θｅが±０に近い場合にフィルタ定数が大きく、偏差θｅの絶対値が大きくなるにつれてフィルタ定数が小さくなっている。更に、空燃比が薄くなる（空燃比の値が大きくなる）につれてフィルタ定数が大きくなっている。この様な特性をＭＦＩＬＴＥＲ＿５（θｅ，Ｆ）に設定することにより、空燃比が薄く、非常に大きな燃焼変動が発生する場合においても、θＲ＿ＭＦＢ５０％の大きな変動に対して、θＦＲ＿ＭＦＢ５０％の変動は適切に抑制される。

以上のように、実施の形態５によれば実施の形態１と同様の効果が得られ、更に、ディジタル１次遅れフィルタに適用するフィルタ定数を空燃比に応じてフィルタ定数の大きさを変更するので、燃焼変動に起因するθＲ＿ＭＦＢ５０％の変動が十分に抑制されたθＦＲ＿ＭＦＢ５０％を算出できる。この結果、空燃比が薄い状態で、燃焼割合が５０％となるクランク角度が目標値近傍になった場合にも、安定した点火時期の制御を得ることができる。

以上、この発明の実施の形態１から実施の形態５について説明したが、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。例えば、前記各実施の形態においては、燃焼割合を算出するために、気筒内圧センサ４を使用しているが、気筒内圧センサ９の代わりに内燃機関１の運転状態の検出結果より、モデルを用いて推定した気筒内圧を利用しても良い。また、ＥＧＲ率を推定するために、ＥＧＲバルブ５の開度から推定しているが、これ以外にも吸気ＶＶＴ１０、排気ＶＶＴ１１のタイミングから、吸気バルブ７と排気バルブ８のオーバーラップ期間から推定した内部ＥＧＲ率からフィルタ定数を算出するマップを追加しても良い。更に、燃焼割合が５０％となるクランク角度をフィルタリングするために、ディジタル１次遅れフィルタを使用しているが、荷重付き移動平均フィルタなど他の高周波成分を除去できるフィルタを利用しても良い。

１ 内燃機関、２ エアーフローセンサ、３ インジェクタ、４ 空燃比センサ、５ ＥＧＲバルブ、６ 点火プラグ、７ 吸気バルブ、８ 排気バルブ、９ 気筒内圧センサ、１０ 吸気ＶＶＴ、１１ 排気ＶＶＴ、１２ クランク角センサ、１３ 制御装置（ＥＣＵ）、１３Ａ、１３Ｂ 点火時期制御部、１３０１ 基本点火タイミング設定手段、１３０２ 燃焼割合算出手段、１３０３ 燃焼割合クランク角度算出手段、１３０４ 燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段、１３０５ 目標燃焼割合クランク角度設定手段、１３０６ クランク角度偏差算出手段、１３０７ 点火タイミング補正手段、１３０８ フィルタ定数算出手段、１３０９ 運転状態検出手段。

Claims (6)

1. 内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態検出手段の検出結果を基に、運転状態に応じて点火タイミングの初期値を設定する基本点火タイミング設定手段と、
   前記運転状態検出手段の検出結果を基に、各燃焼サイクルにおいて燃焼開始から燃焼終了に至るまでに発生する総熱発生量と、燃焼開始から所定の時点に至るまでに発生する熱発生量と、前記総熱発生量に対する前記熱発生量の割合である燃焼割合とを算出する燃焼割合算出手段と、
   前記燃焼割合算出手段により算出される燃焼割合が、５０％近傍の値に到達する時点のクランク角度を算出する燃焼割合クランク角度算出手段と、
   前記燃焼割合クランク角度算出手段で算出されたクランク角度をフィルタ処理する燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段と、
   内燃機関の運転状態を基に、その運転状態に適した燃焼割合の目標クランク角度を設定する目標燃焼割合クランク角度設定手段と、
   前記燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段でフィルタ処理されたクランク角度と、前記目標燃焼割合クランク角度設定手段で設定した目標クランク角度との偏差を算出するクランク角度偏差算出手段と、
   前記基本点火タイミング設定手段によって設定された点火タイミングの初期値に対して、前記燃焼割合クランク角度算出手段によって算出されたクランク角度が目標クランク角度に収束するように点火タイミングをフィードバック制御する点火タイミング補正手段と、
   前記燃焼割合クランク角度フィルタ処理手段におけるフィルタ処理に用いるフィルタ定数を、前記クランク角度偏差算出手段が算出した偏差を基に算出するフィルタ定数算出手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記フィルタ定数算出手段は、前記クランク角度偏差算出手段が算出した偏差が小さくなる方向に対してフィルタ定数を大きく設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記フィルタ定数算出手段は、前記運転状態検出手段によって検出されたＥＧＲ率に応じてフィルタ定数を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記フィルタ定数算出手段は、前記運転状態検出手段によって検出された内燃機関の回転速度に応じてフィルタ定数を補正することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記フィルタ定数算出手段は、前記運転状態検出手段によって検出された内燃機関の吸入空気量に関連するパラメータに応じてフィルタ定数を補正することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記フィルタ定数算出手段は、前記運転状態検出手段によって検出された内燃機関の空燃比に応じてフィルタ定数を補正することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。

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