JP4738285B2 - 内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定のフィードバック制御アルゴリズムにより、内燃機関の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、この種の点火時期制御装置として、本出願人は、特許文献１に記載されたものをすでに提案している。この内燃機関では、アイドル運転中、吸入空気量の増量制御が実行されるとともに、点火時期制御装置によって、点火時期が制御される。この点火時期制御では、内燃機関の回転数を制御量とし、目標回転数を目標値として、制御量が目標値に収束するように、所定のフィードバック制御アルゴリズムにより、制御入力としての点火時期が制御される。この場合、所定のフィードバック制御アルゴリズムとしては、スライディングモード制御アルゴリズムを適用したものが用いられる。

また、内燃機関の点火時期制御において、内燃機関の気筒内の圧力すなわち筒内圧を制御量として、点火時期を制御する手法も知られている。

特許第３７７９０７５号公報

上記前者の点火時期制御装置によれば、制御量が目標値に収束するように、所定のフィードバック制御アルゴリズムにより、点火時期が制御されるので、後者の点火時期制御手法のように、高周波ノイズ成分を多く含む筒内圧を制御量とした場合、点火時期が振動的にフィードバック制御されてしまうことで、燃焼変動が増大する可能性がある。これを回避する手法として、ローパスフィルタ処理や移動平均処理を制御量に施すことが考えられるが、そのようにした場合、エンジンが定常運転状態にあるときのように、目標値がほとんど変化しないときには、制御量を目標値付近に制御できることで、制御の安定性を確保できるものの、エンジンが過渡運転状態にあるときのように、制御量が目標値に対して大きく乖離したときには、制御量の目標値への追従性が低下してしまう可能性がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、制御量が高周波ノイズ成分を多く含む場合でも、定常運転状態における制御の安定性と、過渡運転状態における制御量の目標値への良好な追従性とをいずれも確保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を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る内燃機関３の点火時期制御装置１は、内燃機関３の筒内圧ＰＣＹＬＦ＃ｉを検出する筒内圧検出手段（ＥＣＵ２、筒内圧センサ１０、筒内圧算出部２１）と、内燃機関３のクランク角位置ＣＡを検出するクランク角位置検出手段（ＥＣＵ２、クランク角センサ１３）と、検出された筒内圧ＰＣＹＬＦ＃ｉおよび検出されたクランク角位置ＣＡに基づき、筒内圧ＰＣＹＬＦ＃ｉが最大となるクランク角位置ＣＡを最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉとして算出する最大圧角算出手段（ＥＣＵ２、最大圧角算出部２２）と、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉの目標となる目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉを設定する目標角設定手段（ＥＣＵ２、目標角算出部４６）と、算出された最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉが設定された目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉに収束するように、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉおよび目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉの一方と他方との偏差Ｅ＃ｉを含む切換関数σ＃ｉにεフィルタ処理を施した切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉを用いながら、スライディングモード制御アルゴリズムを適用した所定の制御アルゴリズム［式（１）〜（２４）］により、点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃ｉを複数の入力の総和（最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃ｉ）を含むように算出する点火時期算出手段（ＥＣＵ２、点火時期コントローラ４０）と、を備え、複数の入力は、切換関数σ＃ｉに基づいて算出される非線形入力Ｕｎｌ＃ｉと、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉに基づいて算出される、非線形入力以外の入力（到達則入力Ｕｒｃｈ＃ｉ、適応則入力Ｕａｄｐ＃ｉ）とを含むことを特徴とする。

この内燃機関の点火時期制御装置によれば、最大圧角が目標角に収束するように、最大圧角および目標角の一方と他方との偏差を含む切換関数にεフィルタ処理を施した切換関数フィルタ値を用いながら、スライディングモード制御アルゴリズムを適用した所定の制御アルゴリズムにより、点火時期が複数の入力の総和を含むように算出される。この場合、最大圧角は、検出された筒内圧および検出されたクランク角位置に基づいて算出されるので、筒内圧の検出値に含まれる高周波ノイズ成分の影響と、クランク角位置の検出値に含まれる高周波ノイズ成分の影響を二重に受けることになり、その結果、最大圧角および目標角の一方と他方との偏差を含む切換関数は、最大圧角における高周波ノイズ成分の影響を直接的に受けることになる。

一般に、εフィルタ処理の場合、高周波成分ノイズを多く含む未処理値にεフィルタ処理を施すことにより、フィルタ値を生成すると、そのフィルタ値において、定常状態のときには、未処理値の高周波ノイズ成分の影響を抑制できるとともに、過渡状態のときには、未処理値に対する良好な追従性を確保できるという特性を備えている。したがって、この点火時期制御装置のように、最大圧角および目標角の一方と他方との偏差を含む切換関数にεフィルタ処理を施した切換関数フィルタ値を用いながら、点火時期を算出した場合、内燃機関が定常運転状態のときには、最大圧角の高周波ノイズ成分の影響を抑制できることで、制御の安定性を確保することができるとともに、内燃機関が過渡運転状態にあるときには、最大圧角および目標角の一方と他方との偏差が一時的に急増したときでも、最大圧角の目標角への良好な追従性を確保することができる（なお、本明細書における「偏差を含む関数」は、関数が偏差で定義されることに限らず、偏差が関数そのものであることを含む。また、「筒内圧の検出」や「クランク角位置の検出」などの「検出」は、センサなどによりこれらを直接検出することに限らず、これらの値を他のパラメータに基づいて算出することを含む）。

また、一般に、スライディングモード制御アルゴリズムでは、制御入力は、最大圧角と目標角との偏差を切換直線または切換平面に載せるための到達則入力や、外乱の影響を抑制するための適応則入力、定常運転状態での偏差の変化の影響を迅速に補償するためのフィードフォワード項的な非線形入力を含む複数の入力の総和として算出されるとともに、これらの到達則入力、適応則入力および非線形入力は切換関数に基づいていずれも算出される。この場合、切換関数に代えて、これにεフィルタ処理を施した切換関数フィルタ値を用いながら、適応則入力および到達則入力を算出したときには、適応則入力および到達則入力の本来の作用効果を確保しながら、εフィルタ処理による前述した作用効果も適切に得ることができるものの、非線形入力を算出したときには、切換関数フィルタ値が切換関数に対してεフィルタ処理に起因する位相ずれを示すので、それに起因して、定常運転状態での偏差の変化の影響を迅速に補償するという非線形入力の本来の作用効果が得られなくなるおそれがある。

これに対して、この点火時期制御装置では、非線形入力が切換関数に基づいて算出されるとともに、非線形入力以外の入力が切換関数フィルタ値に基づいて算出されるので、内燃機関の定常運転状態での点火時期制御において、非線形入力による定常運転状態での偏差変化の迅速な補償効果と、εフィルタ処理による高周波ノイズ成分の抑制効果とをいずれも確保することができ、それにより、定常運転状態における点火時期の制御精度をさらに向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の点火時期制御装置について説明する。図１に示すように、本実施形態の点火時期制御装置１は、ＥＣＵ２を備えており、このＥＣＵ２により、後述するように、内燃機関（以下「エンジン」という）３の点火時期が制御される。

同図に示すように、エンジン３は、Ｖ型６気筒のガソリンエンジンであり、右バンクの第１〜第３気筒＃１，＃２，＃３と、左バンクの第４〜第６の気筒＃４，＃５，＃６を備えている。これらの第１〜第６気筒＃１〜＃６（複数の気筒）には、吸気管４がインテークマニホールド４ａを介して接続されており、インテークマニホールド４ａの各分岐部には、各気筒の図示しない吸気ポートに臨むように燃料噴射弁５が取り付けられている。

燃料噴射弁５は、燃料を各分岐部内に噴射するように各分岐部に設けられ、ＥＣＵ２に電気的に接続されているとともに、ＥＣＵ２により、エンジン３の運転状態に応じて、開弁時間および開弁タイミングが制御される。すなわち、燃料噴射制御が実行される。

また、エンジン３のシリンダヘッドには、点火プラグ６および筒内圧センサ１０が気筒毎に取り付けられている（両者とも１つのみ図示）。この点火プラグ６も、ＥＣＵ２に電気的に接続されており、ＥＣＵ２により、燃焼室内の混合気を後述する点火時期に応じたタイミングで燃焼させるように、放電状態が制御される。すなわち、点火時期制御が実行される。以上の燃料噴射制御および点火時期制御は、６つの気筒＃１〜＃６において、＃１→＃５→＃３→＃６→＃２→＃４の順に実行される。

一方、筒内圧センサ１０（筒内圧検出手段）は、点火プラグ６と一体型の圧電素子タイプのものであり、各気筒内の圧力すなわち筒内圧の変化に伴ってたわむことにより、筒内圧を表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、筒内圧センサ１０の検出信号の電圧値（以下「検出電圧」という）ＶＣＰＳ＃ｉに基づき、筒内圧ＰＣＹＬＦ＃ｉなどを算出する。なお、この「検出電圧ＶＣＰＳ＃ｉ」および「筒内圧ＰＣＹＬＦ＃ｉ」における＃ｉ（＝＃１〜＃６）は、気筒の番号を表す気筒番号値であり、以下の説明において、「ＰＣＹＬＦ＃１」と表記した場合には、１番気筒＃１の筒内圧を表し、「ＰＣＹＬＦ＃ｉ」と表記した場合には、６つの気筒＃１〜＃６全ての筒内圧を表すものとする。この点は、後述する各種のパラメータにおいても、同様であるとともに、各種のパラメータにおける＃ｉを適宜、省略する。

また、吸気管４のスロットル弁７よりも下流側には、吸気管内圧センサ１１および吸気温センサ１２が設けられている。この吸気管内圧センサ１１は、例えば半導体圧力センサなどで構成され、吸気管４内の圧力（以下「吸気管内圧」という）ＰＢＡを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この吸気管内圧ＰＢＡは、絶対圧として検出される。さらに、吸気温センサ１２は、吸気管４内を流れる空気の温度（以下「吸気温」という）ＴＡを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

一方、ＥＣＵ２には、クランク角センサ１３、水温センサ１４およびアクセル開度センサ１５が接続されている。このクランク角センサ１３（クランク角位置検出手段）は、マグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、図示しないクランクシャフトの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。このＣＲＫ信号は、所定クランク角（本実施形態では１゜）位置毎に１パルスが出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。

また、ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン（図示せず）が吸気行程のＴＤＣ位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、本実施形態の６気筒エンジン３では、クランク角１２０゜毎に１パルスが出力されるとともに、１番気筒＃１のＴＤＣ信号は、他のＴＤＣ信号と区別できるように、パルス幅が若干長く設定されている。ＥＣＵ２は、この１番気筒＃１のＴＤＣ信号とＣＲＫ信号に基づき、クランク角位置ＣＡを算出するとともに、このクランク角位置ＣＡおよび筒内圧ＰＣＹＬＦ＃ｉに基づき、後述する最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉを算出する。

また、水温センサ１４は、エンジン３のシリンダブロック内を循環する冷却水の温度であるエンジン水温ＴＷを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。さらに、アクセル開度センサ１５は、車両の図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

一方、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されており、前述した各種のセンサ１０〜１５の検出信号などに応じて、エンジン３の運転状態を判別するとともに、点火時期制御などを実行する。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、筒内圧検出手段、クランク角位置検出手段、最大圧角算出手段、目標角設定手段および点火時期算出手段に相当する。

次に、本実施形態の点火時期制御装置１の概略構成について説明する。この点火時期制御装置１は、図２および図３に示すように、ノック判定コントローラ２０および点火時期コントローラ４０を備えており、これらのコントローラ２０，４０は、具体的にはＥＣＵ２で構成されている。

ノック判定コントローラ２０は、ノッキング判定処理などを気筒毎に実行するものであり、図２に示すように、筒内圧算出部２１、最大圧角算出部２２、ノック強度算出部２３およびノック判定部２４を備えている。

まず、筒内圧算出部２１（筒内圧検出手段）では、筒内圧センサ１０の検出電圧ＶＣＰＳ＃ｉに、所定のフィルタリング処理および所定のモデルフィッティング処理などを施すことにより、筒内圧ＰＣＹＬＦ＃ｉが気筒毎に算出される。

次いで、最大圧角算出部２２（最大圧角算出手段）では、最大圧角算出区間における筒内圧ＰＣＹＬＦ＃ｉの変化を参照することにより、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉが気筒毎に算出される。この最大圧角算出区間は、混合気の着火タイミングを起点とし、これよりも所定値分、遅角側のクランク角位置ＣＡを終点とする区間であり、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉは、この最大圧角算出区間において、筒内圧ＰＣＹＬＦ＃ｉが最大値を示すクランク角位置ＣＡの値として算出される。

また、ノック強度算出部２３では、検出電圧ＶＣＰＳ＃ｉおよびエンジン回転数ＮＥに基づき、ノック強度ＳＮＡ＿Ｓ＃ｉが気筒毎に算出される。このノック強度ＳＮＡ＿Ｓ＃ｉは、気筒＃ｉにおけるノッキングの強度を表すものである。

一方、ノック判定部２４では、ノック強度ＳＮＡ＿Ｓ＃ｉとノック判定値ＳＮＡ＿ＲＥＦＬの比較結果に基づき、ノック判定フラグＦ＿ＫＮＯＣＫＩＧ＃ｉの値が気筒毎に設定される。具体的には、ＳＮＡ＿Ｓ＃ｉ＞ＳＮＡ＿ＲＥＦＬのときには、ノック判定フラグＦ＿ＫＮＯＣＫＩＧ＃ｉが「１」に設定され、ＳＮＡ＿Ｓ＃ｉ≦ＳＮＡ＿ＲＥＦＬのときには、ノック判定フラグＦ＿ＫＮＯＣＫＩＧ＃ｉが「０」に設定される。

以上のように、ノック判定コントローラ２０では、ノック強度ＳＮＡ＿Ｓ＃ｉ、ノック判定フラグＦ＿ＫＮＯＣＫＩＧ＃ｉおよび最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉが気筒毎に算出される。

次に、前述した点火時期コントローラ４０（点火時期算出手段）について説明する。この点火時期コントローラ４０は、以下に述べるように、点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃ｉを気筒毎に算出するとともに、この点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃ｉを制御入力として制御対象４８（図３参照）に入力することにより、制御量としての最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉを制御するものである。点火時期コントローラ４０は、図３に示すように、基本点火時期算出部４１、補正項算出部４２、ノック補正項算出部４３、補正後点火時期算出部４４、基本目標角算出部４５、目標角算出部４６、点火時期算出部４７および最大圧角コントローラ５０を備えている。

なお、以下に述べる各数式において、記号（ｋ）付きの各離散データは、所定の制御周期ΔＴｋ（ＴＤＣ信号の発生に同期する周期）で、サンプリングまたは算出された離散データであることを示しており、記号ｋは各離散データのサンプリングまたは算出サイクルの順番を表している。また、以下の説明では、各離散データにおける記号（ｋ）などを適宜、省略する。

まず、基本点火時期算出部４１で、基本点火時期ＩＧＭＡＰが気筒毎に算出される。具体的には、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じて、図示しないマップを検索することにより、要求トルクＰＭＣＭＤを算出し、次いで、この要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、基本点火時期ＩＧＭＡＰが算出される。

また、補正項算出部４２で、吸気温ＴＡおよびエンジン水温ＴＷなどの各種のパラメータに応じて、図示しない各種のマップを検索することにより、補正項ＩＧＣＲＴ＃ｉが気筒毎に算出される。

さらに、ノック補正項算出部４３で、ノック判定フラグＦ＿ＫＮＯＣＫＩＧ＃ｉ、ノック強度ＳＮＡ＿Ｓ＃ｉ、エンジン回転数ＮＥおよび吸気管内圧ＰＢＡに応じて、ノック補正項ＩＧＣＲＫ＃ｉが気筒毎に算出される。

そして、補正後点火時期算出部４４で、下式（１）により、補正後点火時期ＩＧＬＯＧ＃ｉが算出される。

一方、前述した基本目標角算出部４５では、エンジン回転数ＮＥおよび吸気管内圧ＰＢＡに応じて、図４に示すマップを検索することにより、基本目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＿ＭＡＰが算出される。同図において、ＰＢＡ１〜３は、ＰＢＡ１＜ＰＢＡ２＜ＰＢＡ３の関係が成立する吸気管内圧ＰＢＡの所定値である。

このマップでは、基本目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＿ＭＡＰは、吸気管内圧ＰＢＡが高いほど、遅角側の値に設定されているとともに、高回転域では、エンジン回転数ＮＥが高いほど、遅角側の値に設定されている。これは、エンジン負荷が高いほど、または高回転域でエンジン回転数ＮＥが高いほど、ノック余裕度が低下するためである。なお、この基本目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＿ＭＡＰは、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉがこの値になるように点火時期を制御した場合、点火時期がＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque）に制御される値に設定されている。

次いで、目標角算出部４６（目標角設定手段）で、下式（２）により、目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉが算出される。

さらに、最大圧角コントローラ５０で、後述するように、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉおよび目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉに応じて、最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃ｉが気筒毎に算出される。そして、点火時期算出部４７で、下式（３）により、点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃ｉが気筒毎に算出される。

次に、上述した最大圧角コントローラ５０について説明する。この最大圧角コントローラ５０は、図５に示すように、オンボード同定器５１およびスライディングモードコントローラ６０を備えている。

オンボード同定器５１では、後述するモデルのモデルパラメータａ１＃ｉ，ａ２＃ｉ，ｂ１＃ｉ，ｃ１＃ｉが、下式（４）〜（１０）に示す同定アルゴリズムにより算出される。

上式（４）のθ＃ｉは、モデルパラメータａ１＃ｉ，ａ２＃ｉ，ｂ１＃ｉ，ｃ１＃ｉを要素とするモデルパラメータベクトルであり、その転置行列は式（５）のように定義される。また、同式（４）のＫＰ＃ｉはゲイン係数のベクトルを、ｉｄｅ＃ｉは追従誤差をそれぞれ表している。この追従誤差ｉｄｅ＃ｉは、上記式（６）〜（８）により算出される。式（６）のθＰＭＡＸ＿ＨＡＴ＃ｉは、θＰＭＡＸ＃ｉの同定値であり、式（７）により算出される。同式（７）のζ＃ｉは、その転置行列が式（１５）のように定義されるベクトルである。

さらに、上記ゲイン係数のベクトルＫＰ＃ｉは、式（９）により算出され、同式（９）のＰ＃ｉは、式（１０）に示すように定義される４次の正方行列である。また、式（１０）のＩは４次の単位行列を、λ１、λ２は重みパラメータをそれぞれ表している。

以上のような同定アルゴリズムでは、式（１０）の重みパラメータλ１、λ２の設定により、以下の４つの同定アルゴリズムのうちの１つが選択される。
すなわち、
λ１＝１，λ２＝０ ；固定ゲインアルゴリズム
λ１＝１，λ２＝１ ；最小２乗法アルゴリズム
λ１＝１，λ２＝λ ；漸減ゲインアルゴリズム
λ１＝λ，λ２＝１ ；重み付き最小２乗法アルゴリズム
ただし、λは、０＜λ＜１に設定される所定値。
なお、本実施形態のオンボード同定器５１では、同定精度およびモデルパラメータベクトルθ＃ｉの最適値への追従速度をいずれも最適に確保するために、重み付き最小２乗法アルゴリズムが採用されている。

次に、前述したスライディングモードコントローラ６０について説明する。このスライディングモードコントローラ６０では、以下に述べるように、スライディングモード制御アルゴリズムとεフィルタ処理アルゴリズムを組み合わせたアルゴリズムにより、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉを目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉに収束させるための値として、最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃ｉが算出される。

スライディングモードコントローラ６０は、図６に示すように、２つのεフィルタ６１，６２、等価制御入力算出部６３、偏差算出部６４、切換関数算出部６５、到達則入力算出部６６、適応則入力算出部６７、非線形入力算出部６８および最大圧角補正項算出部６９を備えている。

まず、εフィルタ６１では、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉにεフィルタ処理を施すことにより、最大圧角フィルタ値θＰＭＡＸ＿ｆ＃ｉが算出される。具体的には、以下の式（１１）〜（１４）に示すεフィルタ処理アルゴリズムにより、最大圧角フィルタ値θＰＭＡＸ＿ｆ＃ｉが算出される。なお、下式（１１）において、ｎは整数であり、ｍはｍ≧２ｆ＋１（ｆは整数）が成立するような整数であり、εは正の所定値である。

次いで、等価制御入力算出部６３では、最大圧角フィルタ値θＰＭＡＸ＿ｆ＃ｉ、目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉ、およびオンボード同定器６１で算出されたモデルパラメータａ１＃ｉ，ａ２＃ｉ，ｂ１＃ｉ，ｃ１＃ｉを用い、下式（１５）により、等価制御入力Ｕｅｑ＃ｉが算出される。なお、下式（１５）のＰＯＬＥは、−１＜ＰＯＬＥ＜０の関係が成立する値に設定される切換関数設定パラメータである。

また、偏差算出部６４では、下式（１６）により、偏差Ｅ＃ｉが算出される。

さらに、切換関数算出部６５では、下式（１７）により、切換関数σ＃ｉが算出される。

次いで、εフィルタ６２では、切換関数σ＃ｉにεフィルタ処理を施すことにより、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉが算出される。具体的には、前述したεフィルタ６１と同様の、以下の式（１８）〜（２１）に示すεフィルタ処理アルゴリズムにより、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉが算出される。

また、到達則入力算出部６６では、下式（２２）により、到達則入力Ｕｒｃｈ＃ｉが算出される。同式（２２）のＫｒｃｈは、到達則ゲインであり、所定値に設定される。

さらに、適応則入力算出部６７では、下式（２３）により、適応則入力Ｕａｄｐ＃ｉが算出される。同式（２３）のＫａｄｐは、適応則ゲインであり、所定値に設定される。

一方、非線形入力算出部６８では、切換関数σ＃ｉに応じて、図７に示すマップを検索することにより、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉが算出される。同図において、σ１は切換関数σ＃ｉの所定値を示しており、Ｕｎｌ＿ｒｅｆは、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉの所定値を示している。

このマップでは、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉは、−σ１≦σ＃ｉ≦σ１のときには、切換関数σ＃ｉが大きいほど、より大きい値に設定されているとともに、σ１＜｜σ＃ｉ｜のときには、｜Ｕｎｌ＃ｉ｜＝Ｕｎｌ＿ｒｅｆに設定されている。これは、切換関数σ＃ｉの絶対値が小さい場合、すなわち定常運転状態のように最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉと目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉとの乖離度合が小さい場合には、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉによって、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉの目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉへの収束性を高めるためであり、これとは逆に、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉと目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉとの乖離度合が大きい場合には、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉを一定値に設定し、他の入力と比べて影響度合の低いローゲイン入力とすることで、制御の安定性を確保するためである。

次いで、最大圧角補正項算出部６９において、下式（２４）により、最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃ｉが気筒毎に算出される。

なお、本実施形態では、最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃ｉが複数の入力の総和に相当し、到達則入力Ｕｒｃｈ＃ｉおよび適応則入力Ｕａｄｐ＃ｉが非線形入力以外の入力に相当する。

以上のように、本実施形態のスライディングモードコントローラ６０では、スライディングモード制御アルゴリズムとεフィルタ処理アルゴリズムを組み合わせたアルゴリズムにより、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉを目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉに収束させるための値として、最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃ｉが算出される。

なお、以上の式（１５）〜（２４）は以下のように導出される。すなわち、最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃ｉを制御入力とし、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉを制御量とする制御対象を想定し、これを離散時間系モデルとしてモデル化すると、下式（２５）が得られる。

このモデルに対して、スライディングモード制御理論を適用すると、前述した式（１５）〜（１７），（２２）〜（２４）における切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉを切換関数σ＃ｉに置き換えた数式が導出され、そのような数式に対して、εフィルタ処理アルゴリズムを適用することにより、式（１５）〜（２４）が算出される。

次に、以上のような本実施形態の点火時期制御装置１により、点火時期制御を実行した場合の制御結果例について説明する。図８（ａ）および図８（ｂ）は、エンジン３が定常運転状態にある場合において、１番気筒＃１の点火時期制御を実行したときの切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１および切換関数σ＃１の変化をそれぞれ示している。図８（ａ）と図８（ｂ）を比較すると明らかなように、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１の方が、切換関数σ＃１と比べて高周波ノイズ成分が少なくなっており、エンジン３が定常運転状態にあるときに、εフィルタ処理による高周波ノイズ成分の抑制効果が得られていることが判る。

また、図９（ａ）および図９（ｂ）は、エンジン３が定常運転状態にある場合において、目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃１を所定値θＰ１（ＭＢＴが得られるような値）に設定し、最大圧角θＰＭＡＸ＃１がこの所定値θＰ１に収束するように１番気筒＃１の点火時期制御を実行したときの、最大圧角θＰＭＡＸ＃１および点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃１の制御結果例をそれぞれ示している。同図（ａ），（ｂ）において、縦軸は最大圧角θＰＭＡＸ＃１および点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃１の発生頻度（％）をそれぞれ表しており、同図（ｂ）のＩＧ１は、最大圧角θＰＭＡＸ＃１が所定値θＰ１に制御されているときの点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃１の値、すなわちＭＢＴの点火時期に相当するＭＢＴ点火時期相当値を表している。

また、同図（ａ），（ｂ）中の実線で示す曲線は、１番気筒＃１の点火時期制御において本実施形態の最大圧角コントローラ５０で算出した最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃１を用いた場合の制御結果例を表しており、１点鎖線で示す曲線は、比較のために、非線形入力Ｕｎｌ＃１も切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１を用いて算出した場合（Ｕｎｌ＃１の算出において図７の横軸を切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１に置き換えたマップを用いた場合）の制御結果例を表している。さらに、同図の破線で示す曲線は、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１に代えて切換関数σ＃１を用いることにより、３つの入力Ｕｅｑ＃１，Ｕｒｃｈ＃１，Ｕａｄｐ＃１を算出し、これらの総和に、切換関数σ＃１に応じて算出した非線形入力Ｕｎｌ＃１を加算することにより最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃１を算出した場合（すなわちεフィルタ６１，６２を省略した場合）の制御結果例を表している。

まず、図９（ａ）を参照すると、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１を用いた場合（１点鎖線で示す制御結果例）の方が、切換関数σ＃１をそのまま用いた場合（破線で示す制御結果例）よりも、最大圧角θＰＭＡＸ＃１が所定値θＰ１近傍に制御される頻度が高くなっており、εフィルタ処理による高周波ノイズ成分の抑制効果に起因して、最大圧角θＰＭＡＸ＃１の目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃１への収束性が向上していることが判る。

さらに、非線形入力Ｕｎｌ＃１の算出において、切換関数σ＃１を用いた場合（実線で示す制御結果例）の方が、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１を用いた場合（１点鎖線で示す制御結果例）よりも、最大圧角θＰＭＡＸ＃１が所定値θＰ１近傍に制御される頻度が高くなっており、最大圧角θＰＭＡＸ＃１の目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃１への収束性がさらに向上していることが判る。これは、非線形入力Ｕｎｌ＃１を切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１を用いて算出した場合、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１は切換関数σ＃１に対してεフィルタ処理に起因する位相ずれを有しているので、それに起因して、定常運転状態での偏差Ｅ＃１の変化の影響を迅速に補償するという非線形入力Ｕｎｌ＃１の本来の作用効果が、低下するためである。

また、図９（ｂ）を参照すると、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１を用いた場合（１点鎖線で示す制御結果例）の方が、切換関数σ＃１をそのまま用いた場合（破線で示す制御結果例）よりも、点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃１がＭＢＴ点火時期相当値ＩＧ１近傍に制御される頻度が高くなっており、εフィルタ処理による高周波ノイズ成分の抑制効果に起因して、点火時期の制御精度および点火時期制御の安定性が向上していることが判る。さらに、非線形入力Ｕｎｌ＃１の算出において、切換関数σ＃１を用いた場合（実線で示す制御結果例）の方が、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃１を用いた場合（１点鎖線で示す制御結果例）よりも、点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃１が全体としてＭＢＴ点火時期相当値ＩＧ１近傍に制御される頻度が高くなっており、非線形入力Ｕｎｌ＃１に起因して、点火時期の制御精度および点火時期制御の安定性がさらに向上していることが判る。これは、上述した理由による。

以上のように、本実施形態の内燃機関の点火時期制御装置１によれば、点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃ｉが、最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃ｉと補正後点火時期ＩＧＬＯＧ＃ｉの和として算出されるので、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉが目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉに収束するように、点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃ｉが制御される。この最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃ｉは、４つの入力Ｕｅｑ＃ｉ，Ｕｒｃｈ＃ｉ，Ｕａｄｐ＃ｉ，Ｕｎｌ＃ｉの総和として算出され、到達則入力Ｕｒｃｈ＃ｉおよび適応則入力Ｕａｄｐ＃ｉが、切換関数σ＃ｉにεフィルタ処理を施した切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉに基づいて算出されるとともに、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉは、切換関数σ＃ｉに基づいて算出される。

ここで、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉは、筒内圧センサ１０およびクランク角センサ１３の検出信号に基づいて算出されるので、筒内圧センサ１０の検出値に含まれる高周波ノイズ成分の影響と、クランク角センサ１３の検出値に含まれる高周波ノイズ成分の影響を二重に受けることになり、その結果、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉと目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉとの偏差Ｅ＃ｉで定義される切換関数σ＃ｉは、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉにおける高周波ノイズ成分の影響を直接的に受けることになる。

また、前述したように、εフィルタ６２において、高周波成分ノイズを多く含む切換関数σ＃ｉにεフィルタ処理を施すことにより、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉを算出した場合、この切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉは、定常運転状態のときには、切換関数σ＃ｉの高周波ノイズ成分の影響を抑制できるとともに、過渡運転状態のときには、切換関数σ＃ｉに対する良好な追従性を確保できる値として算出される。したがって、到達則入力Ｕｒｃｈ＃ｉおよび適応則入力Ｕａｄｐ＃ｉを、そのような切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉを用いて算出することにより、エンジン３が定常運転状態のときには、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉの高周波ノイズ成分の影響を抑制できることで、制御の安定性を確保することができるとともに、エンジン３が過渡運転状態にあるときには、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉと目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉとの偏差Ｅ＃ｉが一時的に急増したときでも、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉの目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉへの良好な追従性を確保することができる。

さらに、前述したように、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉを切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉに基づいて算出した場合、切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉが切換関数σ＃ｉに対してεフィルタ処理に起因する位相ずれを示すので、それに起因して、定常運転状態での偏差Ｅ＃ｉの変化の影響を迅速に補償するという、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉの本来の作用効果が得られなくなるおそれがある。これに対して、本実施形態では、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉが切換関数σ＃ｉに基づいて算出されるので、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉにより、定常運転状態での偏差Ｅ＃ｉの変化の影響を迅速に補償することができる。

以上のように、定常運転状態での点火時期制御において、非線形入力Ｕｎｌ＃ｉによる偏差Ｅ＃ｉの変化の迅速な補償効果と、εフィルタ処理による高周波ノイズ成分の抑制効果とをいずれも確保することができ、それにより、定常運転状態における点火時期の制御精度をさらに向上させることができる。

これに加えて、本実施形態では、等価制御入力Ｕｅｑ＃ｉが、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉにεフィルタ処理を施した最大圧角フィルタ値θＰＭＡＸ＿ｆ＃ｉを用いて算出されるので、等価制御入力Ｕｅｑ＃ｉの算出結果においても、定常運転状態でのεフィルタ処理による高周波ノイズ成分の抑制効果と、過渡運転状態での最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉの目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉへの追従性を得ることができる。それにより、定常運転状態および過渡運転状態における点火時期の制御精度をより一層、向上させることができる。

なお、実施形態は、点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃ｉの算出において、偏差Ｅ＃ｉとして最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉから目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉを減算した値を用いた例であるが、これに代えて、目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉから最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉを減算した値（θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉ−θＰＭＡＸ＃ｉ）を偏差Ｅ＃ｉとして用いることにより、点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃ｉを算出してもよい。

また、実施形態は、等価制御入力Ｕｅｑ＃ｉの算出において、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉにεフィルタ処理を施した最大圧角フィルタ値θＰＭＡＸ＿ｆ＃ｉを用いた例であるが、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉをそのまま用いることにより、等価制御入力Ｕｅｑ＃ｉを算出してもよい。すなわち、図６におけるεフィルタ６１を省略してもよい。

さらに、実施形態は、スライディングモード制御アルゴリズムを適用した所定のアルゴリズムとして、式（４）〜（２４）に示すアルゴリズムを用いた例であるが、本願発明の所定のアルゴリズムはこれに限らず、スライディングモード制御アルゴリズムを適用したものであればよい。例えば、所定のアルゴリズムとして、モデルパラメータａ１＃ｉ，ａ２＃ｉ，ｂ１＃ｉ，ｃ１＃ｉを所定の固定値とするとともに、前述した式（１１）〜（２４）を用いてもよい。

また、実施形態は、到達則入力Ｕｒｃｈ＃ｉおよび適応則入力Ｕａｄｐ＃ｉの双方を切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉを用いて算出した例であるが、これらの２つの入力Ｕｒｃｈ＃ｉ，Ｕａｄｐ＃ｉの一方を切換関数フィルタ値σ＿ｆ＃ｉを用いて算出し、他方を切換関σ＃ｉを用いて算出してもよい。

一方、実施形態は、所定のフィードバック制御アルゴリズムとして、スライディングモード制御アルゴリズムを適用した所定のアルゴリズムを用いた例であるが、本願発明の所定のフィードバック制御アルゴリズムはこれに限らず、最大圧角が目標角に収束するように、最大圧角の目標角への収束性を表す関数にεフィルタ処理を施したフィルタ値を用いながら、点火時期を制御できるものであればよい。

例えば、所定のフィードバック制御アルゴリズムとして、下式（２６）〜（３１）に示す、ＰＩＤ制御アルゴリズムにεフィルタ処理アルゴリズムを適用したアルゴリズムを用いてもよい。この場合、偏差Ｅ＃ｉが最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉの目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉへの収束性を表す関数に相当する。また、下式（２７）におけるＥ＿ｆ＃ｉは、偏差Ｅ＃ｉにεフィルタ処理を施した偏差フィルタ値であり、式（３１）のＫＰ，ＫＩ，ＫＤはそれぞれ、所定の比例項ゲイン、所定の積分項ゲインおよび所定の微分項ゲインである。

以上の式（２６）〜（３１）の制御アルゴリズムを用いて、最大圧角補正項ＩＧＳＬＤ＃ｉを算出した場合、エンジン３が定常運転状態のときには、偏差フィルタ値Ｅ＿ｆ＃ｉを用いることで、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉの高周波ノイズ成分の影響を抑制でき、それにより、偏差Ｅ＃ｉをそのまま用いた場合と比べて、点火時期制御の安定性を向上させることができる。また、エンジン３が過渡運転状態にあるときには、偏差フィルタ値Ｅ＿ｆ＃ｉを用いることで、偏差Ｅ＃ｉが一時的に急増したときでも、最大圧角θＰＭＡＸ＃ｉの目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉへの良好な追従性を確保することができる。

さらに、所定のフィードバック制御アルゴリズムとして、式（３１）の微分項（同式の右辺第３項）を省略したＰＩ制御アルゴリズムや、式（３１）の積分項（同式の右辺第２項）を省略したＰＤ制御アルゴリズムなどを用いてもよい。これに加えて、所定のフィードバック制御アルゴリズムとして、以上のＰＩＤ制御アルゴリズム、ＰＩ制御アルゴリズムおよびＰＤ制御アルゴリズムの１つを適用した所定のアルゴリズムを用いてもよい。さらに、そのような所定のアルゴリズムにおいて、Ｐ項、Ｉ項およびＤ項の少なくとも一つを、偏差フィルタ値Ｅ＿ｆ＃ｉを用いながら算出してもよい。

本願発明の一実施形態に係る点火時期制御装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。 ノック判定コントローラの概略構成を示すブロック図である。 点火時期コントローラの概略構成を示すブロック図である。 基本目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＿ＭＡＰの算出に用いるマップの一例を示す図である。 最大圧角コントローラの概略構成を示すブロック図である。 スライディングモードコントローラの概略構成を示すブロック図である。 非線形入力Ｕｎｌ＃ｉの算出に用いるマップの一例を示す図である。 エンジンが定常運転状態にある場合において１番気筒＃１の点火時期制御を実行したときの（ａ）切換関数フィルタ値および（ｂ）切換関数の変化をそれぞれ表すタイミングチャートである。 エンジンが定常運転状態にある場合において、目標角θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃１を所定値θＰ１に設定し、最大圧角θＰＭＡＸ＃１がこの所定値θＰ１に収束するように１番気筒＃１の点火時期制御を実行したときの、（ａ）最大圧角θＰＭＡＸ＃１の制御結果例および（ｂ）点火時期ＩＧＬＯＧＣＬ＃１の制御結果例をそれぞれ示す図である。

符号の説明

１ 点火時期制御装置
２ ＥＣＵ（筒内圧検出手段、クランク角位置検出手段、最大圧角算出手段、目標角 設定手段、点火時期算出手段）
３ 内燃機関
１０ 筒内圧センサ（筒内圧検出手段）
１３ クランク角センサ（クランク角位置検出手段）
２１ 筒内圧算出部（筒内圧検出手段）
２２ 最大圧角算出部（最大圧角算出手段）
４０ 点火時期コントローラ（点火時期算出手段）
４６ 目標角算出部（目標角設定手段）
ＰＣＹＬＦ＃ｉ 筒内圧
ＣＡ クランク角位置
θＰＭＡＸ＃ｉ 最大圧角
θＰＭＡＸ＿ＣＭＤ＃ｉ 目標角
σ＃ｉ 切換関数
σ＿ｆ＃ｉ 切換関数フィルタ値
ＩＧＬＯＧＣＬ＃ｉ 点火時期
ＩＧＳＬＤ＃ｉ 最大圧角補正項（複数の入力の総和）
Ｕｎｌ＃ｉ 非線形入力
Ｕａｄｐ＃ｉ 適応則入力（非線形入力以外の入力）
Ｕｒｃｈ＃ｉ 到達則入力（非線形入力以外の入力）

Claims (1)

1. 内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
   前記内燃機関のクランク角位置を検出するクランク角位置検出手段と、
   前記検出された筒内圧および前記検出されたクランク角位置に基づき、前記筒内圧が最大となるクランク角位置を最大圧角として算出する最大圧角算出手段と、
   当該最大圧角の目標となる目標角を設定する目標角設定手段と、
   前記算出された最大圧角が前記設定された目標角に収束するように、当該最大圧角および当該目標角の一方と他方との偏差を含む切換関数にεフィルタ処理を施した切換関数フィルタ値を用いながら、スライディングモード制御アルゴリズムを適用した所定の制御アルゴリズムにより、点火時期を複数の入力の総和を含むように算出する点火時期算出手段と、
   を備え、
   前記複数の入力は、前記切換関数に基づいて算出される非線形入力と、前記切換関数フィルタ値に基づいて算出される、当該非線形入力以外の入力とを含むことを特徴とする内燃機関の点火時期制御装置。

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