CN100476184C - 计算发动机的作功量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供计算发动机的作功量的装置和方法，不管在观测区间中检测哪部分的气缸内压信号，该计算发动机的作功量的装置和方法都能够正确地计算发动机的作功量。计算发动机的作功量的装置针对预定的基准区间，将发动机的气缸内压和由预定的频率成分构成的基准信号的关于相位的相关关系预先确立为基准相位关系。该计算发动机的作功量的装置设有针对所给的观测区间检测发动机的气缸内压的装置。该计算发动机的作功量的装置计算与该检测到的发动机的气缸内压对应的基准信号，以使基准相位关系成立。该计算发动机的作功量的装置针对该观测区间，计算该检测到的发动机的气缸内压与该算出的基准信号之间的相关系数，并根据该相关系数计算发动机的作功量。

Description

计算发动机的作功量的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种计算内燃机的作功量的装置和方法。

背景技术

在下述的专利文献1中记载了使用将表示内燃机(以下称为发动机)的燃烧室内的压力(以下称为气缸内压)的信号进行傅立叶级数展开得到的傅立叶系数，来计算指示平均有效压力的方法。

专利文献1：日本特公平8-20339号公报

与某一信号相关的傅立叶系数是该信号与由对应的频率成分构成的基准信号之间的相关系数。一般来说，这样的相关系数的值具有根据在哪部分观测该信号而使值较大地改变的特性。在利用上述的现有方法来计算指示平均有效压力的情况下，为了在一定的观测区间中抽出气缸内压信号，需要在距发动机的进气行程中的活塞的上止点(TDC)的预定角度处取得该气缸内压信号。

但是，有时在距进气行程的上止点的预定角度处，不能获得用于取得气缸内压信号的造成触发的信号。例如，与曲轴的旋转同步地送出信号的机构大多设在车辆上，但是由于该机构的结构上的原因，有时该信号不能从进气行程的上止点送出到上述的预定角度位置。如果在该预定角度位置不存在造成触发的信号，则观测区间的位置会偏离。由于观测区间的位置的偏离，使在观测区间抽出的气缸内压信号变化。结果使相关系数的值产生误差，有可能不能算出准确的指示平均有效压力。

另外，即使在预定的角度位置得到造成触发的信号，但如果气缸内压信号产生相位延迟，在观测区间中检测的气缸内压信号也会产生相位延迟。由于相位延迟，使在观测区间抽出的气缸内压信号变化，所以相关系数的值还是会产生误差，还是有可能不能算出准确的指示平均有效压力。

因此，希望有一种不管在观测区间中抽出哪部分气缸内压信号，都能够正确地算出如指示平均有效压力那样的发动机的作功量的方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，计算发动机的作功量的方法包括：针对预定的基准区间，将发动机的气缸内压和由预定的频率成分构成的基准信号的关于相位的相关关系预先确立为基准相位关系。针对所给的观测区间，检测发动机的气缸内压。计算与该检测到的发动机的气缸内压对应的上述基准信号，以使该基准相位关系成立。针对该观测区间，计算该检测到的发动机的气缸内压与该算出的基准信号之间的相关系数。根据该相关系数，计算发动机的作功量。

根据本发明，关于针对所给的观测区间检测到的气缸内压信号，确立基准区间的基准相位关系，所以针对所给的观测区间，不管检测哪部分的气缸内压信号，都能够从该观测区间算出与针对基准区间算出的相关系数具有相同的值的相关系数。由此，能够从该相关系数正确地算出发动机的作功量。

在本发明的一个实施方式中，相关系数是当对气缸内压进行傅立叶级数展开时的傅立叶系数。

根据本发明的一个实施方式，进而计算在观测区间中检测到的气缸内压的、相对于基准区间中的气缸内压的相位延迟。在该观测区间设定与构成基准相位关系的基准信号相同的基准信号。使设定在该观测区间的基准信号的相位延迟该相位延迟的量，并计算与针对该观测区间检测到的发动机的气缸内压对应的基准信号。这样，即使在气缸内压信号产生相位延迟的情况下，也能够针对观测区间算出与针对基准区间算出的相关系数具有相同的值的相关系数。在一个实施方式中，该相位延迟是根据检测到的发动机的运转状态而计算的。

根据本发明的一个实施方式，进而计算观测区间的开始时刻的、相对于基准区间的开始时刻的延迟。在观测区间设定与构成基准相位关系的基准信号相同的基准信号。使设定在观测区间的基准信号的相位提前该延迟的量，并计算与针对该观测区间检测到的发动机的气缸内压对应的基准信号。这样，即使在观测区间的开始时刻偏离的情况下，也能够针对观测区间算出具有与针对基准区间算出的相关系数相同的值的相关系数。在一个实施方式中，该延迟是根据基准区间的开始时刻与观测区间的开始时刻的相对差而计算的。

根据本发明的另一个方面，从通过对发动机的体积变化率进行频率分解而获得的频率成分中，确定希望用于计算发动机的作功量的成分。针对预定的基准区间，将发动机的气缸内压和由该希望的成分构成的基准信号的关于相位的相关关系预先确立为基准相位关系。计算与所给的观测区间中的气缸内压对应的基准信号，以使基准相位关系成立。计算观测区间中的发动机的气缸内压和该算出的基准信号之间的第一相关系数。进而计算观测区间中的体积变化率和该算出的基准信号之间的第二相关系数。根据第一相关系数和第二相关系数计算发动机的作功量。

根据本发明，针对对所给的观测区间检测到的气缸内压信号，确立基准区间的基准相位关系，所以针对所给的观测区间，不管检测哪部分的气缸内压信号，都能够从该观测区间算出与针对基准区间算出的相关系数具有相同的值的相关系数。由此，能够从该相关系数正确地算出发动机的作功量。进而，根据本发明，只要针对希望的成分算出第一相关系数和第二相关系数即可。由于能够将希望的成分确定为与所给的发动机相适合，所以能够针对具有任意结构的发动机计算作功量。进而，能够将气缸内压的抽样频率降低至能够抽出希望的成分的程度。

在本发明的一个实施方式中进而求出发动机的行程体积。根据行程体积、第一相关系数和第二相关系数计算发动机的作功量。这样，针对行程体积变化的发动机，能够更准确地算出发动机的作功量。

在本发明的一个实施方式中，检测发动机的运转状态，并根据该检测到的发动机的运转状态确定该希望的成分。这样，能够根据发动机的运转状态适当地确定希望的成分。

在本发明的一个实施方式中，采用指示平均有效压力作为发动机的作功量的指标。

根据本发明的其他方面，提供用于实现上述方法的装置。

附图说明

图1是示意地表示根据本发明的一个实施例的发动机及其控制装置的图。

图2是表示根据本发明的一个实施例的指示平均有效压力的图。

图3是用于说明本发明的原理的图。

图4是表示根据本发明的一个实施例的体积变化率和关于该体积变化率的FFT分析结果的图。

图5是表示根据本发明的一个实施例的各次数的傅立叶系数的值的图。

图6是表示根据本发明的一个实施例的体积变化率的波形和希望的成分的图。

图7是用于说明由于气缸内压信号的相位延迟而使傅立叶系数不同的图。

图8是表示由于气缸内压信号的相位延迟而使指示平均有效压力含有误差的图。

图9是表示根据本发明的第一实施例的、与气缸内压信号的相位延迟对应地对基准信号进行相位移动的方法的图。

图10是表示根据本发明的第一实施例的计算指示平均有效压力的装置的方框图。

图11是表示根据本发明的第一实施例的关于与发动机的运转状态对应的行程体积和体积的傅立叶系数的映射图。

图12是表示根据本发明的第一实施例的与发动机的运转状态对应地进行相位移动后的基准信号的映射图。

图13是表示根据本发明的第一实施例的指示平均有效压力的计算结果的图。

图14是表示根据本发明的第一实施例的指示平均有效压力的计算过程的流程图。

图15是用于说明由于观测区间的开始时刻的偏离而使傅立叶系数不同的图。

图16是表示根据本发明的第二实施例的、与观测区间的开始时刻的延迟对应地对基准信号进行相位移动的方法的图。

图17是表示根据本发明的第二实施例的计算指示平均有效压力的装置的方框图。

图18是表示根据本发明的第二实施例的与观测区间的开始时刻的延迟对应地进行相位移动后的基准信号的映射图。

图19是表示根据本发明的第二实施例的指示平均有效压力的计算过程的流程图。

标号说明

1ECU

2发动机

15气缸内压传感器

26可变压缩比机构

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。图1是根据本发明的实施方式的发动机及其控制装置的整体结构图。

电子控制单元(以下称为“ECU”)1是具有中央运算处理装置(CPU)1b的计算机。ECU1具有存储器1c，该存储器1c具有：只读存储器(ROM)，其存储用于实现车辆的各种控制的计算机程序和实施该程序所必需的映射图；和随机存取存储器(RAM)，其提供进行CPU1b的运算用的作业区域并暂时储存程序和数据。ECU1还包括接收从车辆的各部分送来的数据的输入接口1a，和将控制信号送出给车辆的各部分的输出接口1d。

发动机2在本实施例中是四冲程发动机。发动机2通过进气门3与进气管4连接，并通过排气门5与排气管6连接。燃料喷射阀7根据来自ECU1的控制信号来喷射燃料，该燃料喷射阀7设在进气管4上。

发动机2将从进气管4吸入的空气与从燃料喷射阀7喷射的燃料的混合气体吸入燃烧室8中。在燃烧室8中设有根据来自ECU1的点火时刻信号而使火花飞溅的火花塞9。通过火花塞9所发出的火花使混合气体燃烧。通过燃烧，混合气体的体积增大，由此向下按压活塞10。活塞10的往复运动被转换为曲轴11的旋转运动。

气缸内压传感器15是例如由压电元件构成的传感器，并埋设在火花塞9的与发动机气缸相接的部分中。气缸内压传感器15输出用于表示燃烧室8内的压力(气缸内压)变化的信号，然后将该信号送至ECU1。ECU1对表示该气缸内压变化的信号进行积分，从而生成表示气缸内压的信号P。

在发动机2中设有曲柄转角(crank angle)传感器17。曲柄转角传感器17伴随曲轴11的旋转而将作为脉冲信号的CRK信号和TDC信号输出至ECU1。

CRK信号是以预定的曲柄转角(例如30度)输出的脉冲信号。ECU1根据该CRK信号来计算出发动机2的转速NE。TDC信号是以与活塞10的TDC位置相关联的曲柄转角而输出的脉冲信号。

在发动机2的进气管4中设有节气门18。通过来自ECU1的控制信号来控制节气门18的开度。与节气门18连接的节气门开度传感器(θTH)19将与节气门18的开度对应的电信号供给至ECU1。

进气管压力(Pb)传感器20设在节气门18的下游侧。通过Pb传感器20检测到的进气管压力Pb被送至ECU1。

在节气门18的上游设有空气流量计(AFM)21。空气流量计21检测通过节气门18的空气量并将其送至ECU1。

可变压缩比机构26是能够根据来自ECU1的控制信号来改变燃烧室内的压缩比的机构。可变压缩比机构26能够通过任意的已知方法来实现。例如提出了通过利用油压来改变活塞的位置，从而根据运转状态来改变压缩比的方法。

压缩比传感器27与ECU1连接。压缩比传感器27检测燃烧室的压缩比Cr并将其送至ECU1。

向ECU1发送的信号传递给输入接口1a，并进行模拟一数字转换。CPU1b根据存储在存储器1c中的程序对转换后的数字信号进行处理，从而能够生成用于送至车辆的致动器的控制信号。输出接口1d将这些控制信号送至燃料喷射阀7、火花塞9、节气门18及其他机械要件的致动器。另外，CPU1b能够使用该转换后的数字信号，根据存储在存储器1c中的程序，计算出发动机的作功量。

作为表示发动机的作功量的指标，有时使用指示平均有效压力。平均有效压力表示用行程体积除发动机的一个燃烧循环中的作功的值。指示平均有效压力表示从该平均有效压力减去冷却损失、不完全燃烧和机械摩擦等的值。这些指标有时用于评价发动机的总行程体积(发动机排气量)不同的机种之间的性能差。

参照图2，该图2表示一个燃烧循环中的发动机的燃烧室的体积V和气缸内压P的关系(称为PV线图)。在P点，进气门打开，开始进气行程。气缸内压经过活塞位于上止点TDC的N点，减少至到达作为最小值的U点。然后气缸内压经过活塞位于下止点BDC的K点而增加。在Q点，压缩行程开始，气缸内压继续增加。在R点，燃烧行程开始。通过混合气体的燃烧使气缸内压急剧增加，在S点，气缸内压达到最大。通过混合气体的燃烧压下活塞，并使活塞朝向M点所示的下止点BDC移动。通过该移动减小气缸内压。在T点，排气门打开，排气行程开始。在排气行程中，气缸内压进一步减小。

指示平均有效压力通过用活塞的行程体积除图中所示的曲线所包围的面积来求得。

在以下的实施例中表示计算指示平均有效压力的方法。要注意的是，发动机的作功量的用语包括：根据通过依照本发明的方法算出的指示平均有效压力而能够算出的其他指标，例如平均有效压力、净平均有效压力和发动机转矩等。

在本说明书中，列举两个优选实施例来说明本申请的发明，但是在这两个实施例中，本申请的发明的原理相同。首先参照图3说明其原理。

参照图3的(a)，该图表示气缸内压信号31，并设定有基准区间和基准信号32。在本例中，基准区间在进气行程的上止点(TDC)开始，其长度设定为相当于一个燃烧循环的长度。可供选择的是，也可以将基准区间设定为在其他时刻开始。在本例中，基准信号是在基准区间的开始时刻具有零值的一次sin函数(＝sin(2π/N)n(将在后边说明该式的意思))。

针对基准区间，计算表示气缸内压信号31和基准信号32之间的关于相位的相关关系(以下有时称为基准相位关系)的相关系数。根据该相关系数算出指示平均有效压力。本发明针对在所给的观测区间中观测到的气缸内压信号确立该基准相位关系。通过确立基准相位关系，能够从该观测区间求出具有与针对基准区间算出的相关系数相同的值的相关系数。这样，不管在该观测区间观测哪部分的气缸内压信号，都能够正确地算出指示平均有效压力。

参照图3的(b)，在该图中设定某一观测区间A。观测区间A的燃烧循环中的开始时刻与基准区间的燃烧循环中的开始时刻一致。但是，观测区间A内的气缸内压信号33的相位比基准区间内的气缸内压信号31的相位延迟td。

在图3的(b)中确立像图3的(a)那样的基准相位关系。因此，在观测区间A中设定与针对基准区间设定的基准信号32相同的基准信号。具体来讲，设定在观测区间A的开始时刻具有零值的一次sin函数(虚线)。该被设定的基准信号32向箭头35的方向以相位延迟td进行相位移动。通过该相位移动获得基准信号34。如果观察从使观测区间A延迟了td的时刻开始的区间R，则可知在区间R中确立像图3的(a)那样的基准相位关系。通过确立这样的基准相位关系，使针对观测区间A的气缸内压信号33与基准信号34之间的关于相位的相关关系、和针对基准区间的气缸内压信号31与基准信号32之间的关于相位的相关关系相同。因此，针对观测区间A的气缸内压信号33与基准信号34之间的相关系数与针对基准区间而算出的相关系数具有相同的值。

这样，在气缸内压信号产生相位延迟的情况下，使设定在观测区间的基准信号的相位延迟该相位延迟的量。通过计算该相位延迟后的基准信号与在观测区间观测到的气缸内压信号之间的相关系数，能够正确地算出指示平均有效压力。

参照图3的(c)，该图表示具有与图3的(a)所示的气缸内压信号31相同相位的气缸内压信号36。设定有某一观测区间B，观测区间B的燃烧循环中的开始时刻相对于基准区间的燃烧循环中的开始时刻延迟ta。

在图3的(c)中确立像图3的(a)那样的基准相位关系。因此，对观测区间B设定与针对基准区间设定的基准信号32相同的基准信号。具体来讲，设定在观测区间B的开始时刻具有零值的一次sin函数(虚线)。使该被设定的基准信号32的相位向箭头38的方向提前延迟量ta，从而获得基准信号37。如果观察从使观测区间B提前了相位ta的时刻开始的区间R，则可知在区间R中确立了像图3的(a)那样的基准相位关系。通过确立基准相位关系，使针对观测区间B的气缸内压信号36与基准信号37之间的关于相位的相关关系，和针对基准区间的气缸内压信号31与基准信号32之间的关于相位的相关关系相同。因此，针对观测区间B的气缸内压信号36与基准信号37之间的相关系数与针对基准区间而算出的相关系数具有相同的值。

这样，在观测区间的开始时刻对于基准区间相对延迟的情况下，使针对观测区间设定的基准信号的相位提前了该开始时刻的延迟量。通过计算该相位提前之后的基准信号与针对观测区间观测到的气缸内压信号之间的相关系数，能够正确地算出指示平均有效压力。

以下，将如图3的(b)所示的情况作为第一实施例详细进行说明，将如图3的(c)所示的情况作为第二实施例详细进行说明。

实施例1

指示平均有效压力Pmi能够通过对图2中所示的PV线图进行轮廓积分算出，该计算式可以如式(1)那样表示。积分区间是相当于一个燃烧循环的期间，但是要注意的是积分区间的开始时刻能够设定在任意时间点。

式(2)表示将式(1)离散化了的结果，式(2)的m表示运算循环。Vs表示一个气缸的行程体积，dV表示该气缸的体积变化率。如上所述，P是表示气缸内压的信号，是根据来自气缸内压传感器15(图1)的输出而得到的。

【数1】

$=\frac{1}{\mathrm{Vs}}\underset{m=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{P_{m+1}+P_m}{2}\right)(V_{m+1}-V_m)---\left(2\right)$

如式(1)所示，指示平均有效压力Pmi表示为气缸内压信号P和体积变化率dV的相关系数。由于实质上构成体积变化率dV的频率成分是有限的(将在后边进行详细说明)，所以如果只针对该频率成分来计算两者的相关系数，则能够算出指示平均有效压力Pmi。

为了对体积变化率dV进行频率分解，如式(3)所示对体积变化率dV进行傅立叶级数展开。t表示时间。T表示发动机的曲轴的旋转周期(以下称为曲轴周期)，ω表示角频率。在四冲程发动机中，一个周期T对应于360度。K表示该发动机旋转的频率成分的次数。

【数2】

$\mathrm{dV}\left(\mathrm{\ωt}\right)=f\left(t\right)=\frac{V_{a0}}{2}+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(V_{\mathrm{ak}}\cos \mathrm{k\ωt}+V_{\mathrm{bk}}\sin \mathrm{k\ωt})---\left(3\right)$

$V_{a0}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\mathrm{dt}$

$V_{\mathrm{ak}}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\cos \mathrm{k\ωtdt}$

$V_{\mathrm{bk}}=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}f\left(t\right)\sin \mathrm{k\ωtdt}$

当将式(3)应用于式(1)时，导出式(4)。其中，θ＝ωt。

【数3】

$+V_{b1}\sin \mathrm{\θ}+V_{b2}\sin 2\mathrm{\θ}+V_{b3}\sin 3\mathrm{\θ}++V_{b4}\sin 4\mathrm{\θ}+....\}\mathrm{d\θ}$

另一方面，如果对气缸内压信号P进行傅立叶级数展开，则能够如式(5)所示地表示该气缸内压信号的傅立叶系数Pak和Pbk。气缸内压信号的一个周期Tc相当于一个燃烧周期的长度。在四冲程发动机中，一个燃烧周期对应于720度的曲柄转角，所以周期Tc是曲轴周期T的二倍。因此，式(5)中的θc在四冲程发动机中成为(θ/2)。kc表示气缸内压信号的频率成分的次数。

【数4】

在式(4)中表示了cosθ、cos2θ、、、sinθ、sin2θ、、、的成分。在式(5)中，kc＝2k，从而能够得到这些成分的傅立叶系数Pak和Pbk。即，在四冲程发动机中，为了算出指示平均有效压力Pmi，相对于涉及体积变化率的傅立叶系数Vak和Vbk的频率成分如果有1次、2次、3次、、、(k＝1、2、3...)，涉及气缸内压信号的傅立叶系数Pak和Pbk的频率成分如果有2次、4次、6次、、、(kc＝2、4、6...)即可。当kc＝2k时，式(5)如式(6)所示。

【数5】

当将式(6)应用于式(4)时，导出式(7)。在此，式(4)中的“Va_o”几乎是0(将在后边说明其理由)。

【数6】

$\mathrm{Pmi}=\frac{2T}{2\mathrm{Vs}}(\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ak}}{V}_{\mathrm{ak}}+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{bk}}{V}_{\mathrm{bk}})---\left(7\right)$

式(7)中含有与行程体积Vs、体积变化率dV相关的傅立叶系数Vak和Vbk。因此，即使是关于行程体积Vs和体积变化率dV相对于曲柄转角的波形变化的发动机，也能够更准确地计算出指示平均有效压力Pmi。

式(7)是关于四冲程发动机的式子，但是本领域的技术人员应该清楚地知道对于两冲程发动机也能够通过与上述相同的方法算出。在两冲程发动机中，Tc＝T，θc＝θ成立。

式(6)中所示的气缸内压的傅立叶系数Pak和Pbk是连续时间系统的式子。当式(6)变形为适合于数字处理的离散系统时，如式(8)所示。在此，N表示曲轴周期T中的样本数。积分区间是相当于一个燃烧循环的长度，该一个燃烧循环中的样本数是2N。n表示样本编号。Pn表示第n个样本中的气缸内压。

【数7】

式(9)是通过将式(7)和式(8)结合得到的。

【数8】

$\mathrm{Pmi}=\frac{2N}{2\mathrm{Vs}}(\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ak}}{V}_{\mathrm{ak}}+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{bk}}{V}_{\mathrm{bk}})$

$\mathrm{Pak}=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n\cos k\frac{2\mathrm{\π}}{N}n$

$\mathrm{Pbk}=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n\sin k\frac{2\mathrm{\π}}{N}n---\left(9\right)$

在本实施例中，如式(9)所示，气缸内压的傅立叶系数Pak和Pbk根据检测到的气缸内压的样本Pn逐次地算出。预先算出行程体积Vs和体积变化率的傅立叶系数Vak、Vbk，并存储在ECU1的存储器1c(图1)中。

根据发动机的特性，确定与发动机的运转状态对应的行程体积Vs和体积变化率dV的波形。因此，能够通过仿真等预先求出与发动机的运转状态对应的行程体积Vs和体积变化率dV。在本实施例中，与发动机的运转状态对应的行程体积Vs和傅立叶系数Vak、Vbk预先存储在存储器1c中。

可供选择的是，也可以对应于检测体积变化率，来逐次地计算傅立叶系数Vak和Vbk。该计算式如式(10)所示。在此，积分区间是一个曲轴周期T。Vn表示由第n个样本得到的体积变化率，在此，将检测出的体积变化率代入。

【数9】

积分区间也可以是两个曲轴周期、即相当于一个燃烧循环的长度。在该情况下，如式(11)所示，能够计算出体积变化率的傅立叶系数。计算结果与式(10)相同。

【数10】

在此，观察傅立叶系数。从式(8)清楚地得知，关于气缸内压的傅立叶系数分别是气缸内压信号P与由通过体积变化率dV的频率分解得到的频率成分所构成的信号的相关系数。同样地，从式(10)清楚地得知，关于体积变化率的傅立叶系数分别是体积变化率信号dV与由通过体积变化率dV的频率分解得到的频率成分所构成的信号的相关系数。例如，傅立叶系数Pa1是气缸内压信号P和cosθ的相关系数。体积变化率Vb2是体积变化率信号dV和sin2θ的相关系数。

这样，关于气缸内压的傅立叶系数分别是对所对应的频率成分抽出的气缸内压信号，关于体积变化率的傅立叶系数分别表示对所对应的频率成分抽出的体积变化率信号。如上所述，由于实质上构成体积变化率dV的频率成分是有限的，所以只使用以该有限的频率成分抽出的气缸内压信号和体积变化率信号，就能够算出指示平均有效压力Pmi。

在本实施例中，傅立叶级数展开用于抽出关于实质上构成体积变化率的频率成分的气缸内压信号和体积变化率信号。然而，也可以使用其他方法进行该抽出。

参照图4～图6验证式(9)。图4的(a)表示体积变化率dV相对于曲柄转角的波形一定(换言之，行程体积一定，由此使体积变化率dV的动作方式是一种)的通常的发动机中的体积变化率dV的波形41、和与该体积变化率dV的波形具有相同周期的sin函数的波形42(振幅依赖于行程体积的大小)。在本例中，傅立叶系数的观测区间A是从进气行程的TDC(上止点)开始的一个燃烧循环，sin函数设定为，在该观测区间A的开始具有值“0”。

从图中清楚地看到两者的波形非常类似。这说明能够用sin函数表示体积变化率dV。体积变化率dV相对于sin函数几乎不具有偏移和相位差。因此，能够预测，在体积变化率的频率成分中几乎不出现直流成分a0和cos成分。

图4的(b)表示对这样的发动机的体积变化率dV进行了FFT分析的结果。参考标号43是表示发动机旋转的一次频率成分的线，参考标号44是表示发动机旋转的二次频率成分的线。从该分析结果可知，体积变化率dV只不过主要具有发动机旋转的一次和二次频率成分。

图5的(a)表示对图4的(a)中所示的观测区间A实际算出的体积变化率dV的傅立叶系数的一例。图5的(b)用图表来表示关于图5的(a)中的各成分的傅立叶系数的大小。可知直流成分Va0和相位偏移了的cos成分Vak(k＝1、2、...)大致是零。另外，可知三次以上的高次谐波成分(k≥3)也大致是零。

这样，在体积变化率的波形不变化的发动机中，可知体积变化率dV主要包含有发动机旋转的一次和二次频率成分，而且由它们的sin成分构成。换言之，在体积变化率dV的傅立叶系数中，能够省略一次和二次的sin成分以外的成分。考虑到这点，可以如式(12)所示地那样表示式(9)。

【数11】

$\mathrm{Pmi}=\frac{2N}{2\mathrm{Vs}}(P_{b1}{V}_{b1}+P_{b2}{V}_{b2})$

$\mathrm{Pbk}=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n\sin k\frac{2\mathrm{\π}}{N}n---\left(12\right)$

在可变压缩比机构中，有的可变压缩比机构根据发动机的运转状态而改变行程体积，由此改变体积变化率dV的相对于曲柄转角的波形。图6的(a)表示图1所示的可变压缩比机构26在具有这样的特性的情况下的、在某一运转状态下的体积变化率dV的波形61(实线)。图6的(a)也表示了具有与该体积变化率dV的波形61相同周期的sin函数的波形62。与图4的(a)同样地设定观测区间A，sin函数设定为在该观测区间A的开始时刻具有值“0”。

与sin函数的波形62相比，体积变化率dV的波形61失真，因此推测体积变化率dV的波形61不仅包括sin成分，还包括cos成分。图6的(b)表示针对观测区间A算出的、图6的(a)中所示的体积变化率dV的各成分中的傅立叶系数的值。可知通过一次和二次sin成分以及一次和二次cos成分，可良好地表现体积变化率dV。因此，指示平均有效压力Pmi如式(13)所示。将与检测到的发动机的运转状态对应的值代入式中的行程体积Vs中。

【数12】

$\mathrm{Pmi}=\frac{2N}{2\mathrm{Vs}}(P_{a1}{V}_{a1}+P_{a2}{V}_{a2}+P_{b1}{V}_{b1}+P_{b2}{V}_{b2})$

$\mathrm{Pak}=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n\cos k\frac{2\mathrm{\π}}{N}n$

$\mathrm{Pbk}=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n\sin k\frac{2\mathrm{\π}}{N}n---\left(13\right)$

这样，根据本实施例的方法，无需对所有成分(即所有次数的sin/cos成分)算出体积变化率和气缸内压的傅立叶系数。只要对希望的成分、优选对以预定精度算出指示平均有效压力所用的成分，求出傅立叶系数即可。在图4的示例中，只要求出体积变化率dV的一次和二次sin成分的傅立叶系数Vb1和Vb2、以及气缸内压P的一次和二次sin成分的傅立叶系数Pb1和Pb2即可。在图6的示例中，只要求出体积变化率dV的一次和二次的sin和cos成分的傅立叶系数Vb1、Vb2、Va1和Va2，以及气缸内压P的一次和二次的sin和cos成分的傅立叶系数Pb1、Pb2、Pa1和Pa2即可。通过确定希望的成分，能够抑制应计算的傅立叶系数的个数，从而降低指示平均有效压力Pmi的计算负荷。

能够将希望用于计算指示平均有效压力的成分通过仿真等预先确定。在一个实施方式中，与发动机的运转状态对应，行程体积Vs以及关于该希望的成分的傅立叶系数Vak和Vbk以及行程体积Vs预先存储在存储器1c(图1)中。为了算出指示平均有效压力，参照该存储器1c，能够抽出关于希望的成分的体积变化率的傅立叶系数和行程体积。这样，针对体积变化率的傅立叶系数和行程体积，使用事先算出的值来计算指示平均有效压力，所以能够减轻用于计算该指示平均有效压力的计算负荷。

根据上述的方法，从预先确定的任意观测区间中的体积变化率的傅立叶级数展开来确定希望的成分，并根据该希望的成分求出气缸内压的傅立叶系数和体积变化率的傅立叶系数，从而算出指示平均有效压力。因此，只要在上述预先确定的任意的观测区间进行气缸内压和体积变化率的傅立叶系数的计算，就能够任意地设定该观测区间。在图4和图6所示的示例中，观测区间A的开始时刻是进气行程的TDC，但是观测区间也可以从进气行程的TDC以外的时刻开始。

但是，在观测区间观测的气缸内压信号有时产生相位延迟。参照图7的(a)，该图表示气缸内压信号71的一例，指示平均有效压力对t1时刻的触发信号75作出响应，观测区间A开始。针对观测区间A计算指示平均有效压力Pmi。观测区间A与基准区间具有相同的长度，典型的是与一个燃烧循环的长度相等。图7的(b)表示气缸内压信号产生相位延迟的情况，气缸内压信号72的相位比图7的(a)中的气缸内压信号71延迟td。

这样的相位延迟由于例如下述主要原因产生。图1所示的气缸内压传感器15(图1)不直接面向燃烧室。气缸内压传感器的受压部面向与该燃烧室连通设置的受压室。受压室的压力变化相对于燃烧室的压力变化存在空耗时间。随着发动机转速增大，一个燃烧循环的时间缩短，所以该空耗时间相对于一个燃烧循环的相对时间增大。另外，该空耗时间也根据气缸内压的增减即发动机的负荷而进行变化。这样的空耗时间有可能使气缸内压信号产生相位延迟。

参照图8，图8的(a)表示图7的(b)所示的气缸内压信号71和相对于该信号71产生相位延迟td的气缸内压信号72。图8的(b)的参考标号73表示基准信号，在本例中，73是在观测区间A开始时具有零值的一次sin函数(＝sin(2π/N)n)。如式(9)所示，要注意一次sin函数包含在傅立叶系数Pb1中。气缸内压信号72与sin函数73之间的关于相位的相关关系与气缸内压信号71与sin函数73之间的关于相位的相关关系不同。作为结果是，相对于根据气缸内压信号71和sin函数73算出的傅立叶系数Pb1，根据气缸内压信号72和sin函数73算出的傅立叶系数Pb1包含误差。

图8的(c)的参考标号76表示使用基于气缸内压信号71和sin函数73的傅立叶系数而算出的指示平均有效压力，其表示正确的值。参考标号77表示使用基于气缸内压信号72和sin函数73的傅立叶系数而算出的指示平均有效压力，其包含误差。

这样，如果由于气缸内压信号的相位延迟使气缸内压的傅立叶系数包含误差，则气缸内压的傅立叶系数和体积变化率的傅立叶系数的相关关系变化，这使指示平均有效压力产生误差。

参照图9说明避免这样的误差的方法。图9的(a)以被虚线81包围的方式表示基准区间中的气缸内压信号82和基准信号83之间的构成基准相位的关系。该基准相位关系能够这样地预先确定：在整个预定的基准区间观测气缸内压信号，通过该进行观测时的气缸内压信号82和在该基准区间的开始时刻具有零值的一次sin函数83(＝sin(2π/N)n)来预先确定。

图9的(b)表示针对所给的观测区间A检测到的气缸内压信号84。观测区间A的燃烧循环中的开始时刻与基准区间的燃烧循环中的开始时刻一致(在本例中是进气行程的上止点)。气缸内压信号产生相位延迟的结果是，相对于基准区间中的气缸内压信号82，观测区间A中的气缸内压信号84的相位延迟td。

在图9的(b)中，为了确立像图9的(a)那样的基准相位关系，在观测区间A设定与构成基准相位关系的基准信号相同的基准信号。即，在观测区间A设定在观测区间的开始时刻具有零值的一次sin函数85作为基准信号。使基准信号85的相位延迟td，从而得到基准信号86。如果参照从相对于观测区间A延迟了td的时刻开始的区间R，则可知确立了像图9的(a)那样的基准相位关系。这样，能够针对检测到的气缸内压信号来确立基准相位关系。

由于确立了基准相位关系，所以针对观测区间A的气缸内压信号84和基准信号86的傅立叶系数具有与针对基准区间的气缸内压信号82和基准信号83的傅立叶系数相同的值。因此，通过针对观测区间A而算出检测到的气缸内压信号84和基准信号86的傅立叶系数，从而能够求出针对基准区间的傅立叶系数。

这样，不管在观测区间检测到的气缸内压信号表现出怎样的相位延迟，都能够从该观测区间求出针对基准区间的傅立叶系数，即没有误差的傅立叶系数。由于傅立叶系数不包含误差，所以能够正确地算出指示平均有效压力。

在图中，将一次sin函数表示为基准信号，所以对应的傅立叶系数是Pb1。关于其他傅立叶系数，通过使对应的sin/cos函数移动相位，也能够算出指示平均有效压力。

这样，在计算针对希望的成分的傅立叶系数时，优选在基准区间设定由该希望的成分的某一个所构成的基准信号。例如，当计算与一次和二次sin成分对应的傅立叶系数Pb1和Pb2时，优选由一次sin函数或二次sin函数中的任一个构成基准信号。如果针对一次sin函数或二次sin函数中的一个来求相位延迟的量，则另一个通过进行相同的相位移动也能够算出傅立叶系数Pb1和Pb2。

可供选择的是，也可以由与希望的成分不同的成分(在图9的示例中是其他次数的sin函数和cos函数)构成设定在基准区间的基准信号。例如，希望的成分是二次sin成分，考虑使用一次cos函数(＝cos(2π/N)n)作为基准信号的情况。在观测区间中，设定二次sin函数(＝sin2(2π/N)n)。使二次sin函数的相位延迟，以便基准相位关系、即与基准区间中的气缸内压信号和一次cos函数之间的相位关系相同的相位关系，对观测区间观测到的气缸内压成立。这样，能够从观测区间中的气缸内压信号和二次sin函数算出傅立叶系数Pb2。

也可以将基准信号设定为在基准区间的开始时刻具有零以外的值，例如，当以sin((2π/N)n-α)表示的基准信号设定在基准区间中时(α是预定值)，基准信号相对于基准区间的开始时刻具有α的相位差。在观测区间中以相对于观测区间的开始时刻具有相同相位差的方式设定基准信号。由此，能够使基准相位关系成立。

在气缸内压信号的相位延迟的大小根据频率而不同的情况下，优选针对每个频率调查相位延迟的大小，并进行与该频率对应的基准信号(sin/cos函数)的相位移动。

图10是表示根据第一实施例的计算指示平均有效压力Pmi的装置的方框图。功能方框101～106能够在ECU1中实现。典型的是，这些功能通过存储在ECU1中的计算机程序来实现。可供选择的是，也可以通过硬件、软件、程序包以及它们的组合来实现这些功能。

在ECU1的存储器1c中存储有行程体积Vs和希望成分的体积变化率的傅立叶系数Vak、Vbk，它们都是对应于发动机的压缩比而预先计算出的。图11的(a)表示规定与压缩比Cr对应的行程体积Vs的映射图，图11的(b)表示规定与压缩比Cr对应的希望成分的傅立叶系数Vak、Vbk的值的映射图的一例。

运转状态检测部101根据压缩比传感器27(图1)的输出，检测发动机的目前的压缩比Cr。参数抽出部102基于该检测到的压缩比Cr并参照图11的(b)所示的映射图，判断关于气缸内压和体积变化率的傅立叶系数的希望的成分。在本例中定义傅立叶系数Vb1、Vb2、Va1和Va2。因此，判断希望的成分为一次和二次sin成分以及一次和二次cos成分。

由于希望的成分是一次和二次sin成分以及一次和二次cos成分，所以按照上述式(13)计算指示平均有效压力。为了方便，将式(13)改写为式(14)～(18)。

【数13】

$\mathrm{Pmi}=\frac{2N}{2\mathrm{Vs}}(\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ak}}{V}_{\mathrm{ak}}+\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{bk}}{V}_{\mathrm{bk}})=\frac{2N}{2\mathrm{Vs}}(\mathrm{Pa}1\mathrm{Va}1+\mathrm{Pa}2\mathrm{Va}2+\mathrm{Pb}1\mathrm{Vb}1+\mathrm{Pb}2\mathrm{Vb}2)---\left(14\right)$

$\mathrm{Pa}1=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}n=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{n}f\cos 1\left(n\right)---\left(15\right)$

$\mathrm{Pa}2=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n\cos 2\frac{2\mathrm{\π}}{N}n=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{n}f\cos 2\left(n\right)---\left(16\right)$

$\mathrm{Pb}1=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}n=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{n}f\sin 1\left(n\right)---\left(17\right)$

$\mathrm{Pb}2=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_n\sin 2\frac{2\mathrm{\π}}{N}n=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{n}f\sin 2\left(n\right)---\left(18\right)$

参数抽出部102在与判断希望的成分的同时，针对这些成分而抽出与检测到的压缩比对应的体积变化率傅立叶系数Vak、Vbk的值。在本例中，抽出Va1、Va2、Vb1和Vb2。

参数抽出部102进一步参照图11的(a)所示的映射图，抽出与该检测到的压缩比Cr对应的行程体积Vs。

运转状态检测部101进一步根据气缸内压传感器15(图1)的输出来计算气缸内压P。抽样部103以预定的周期对这样算出的气缸内压P进行抽样，从而得到气缸内压的样本Pn。在本例中，每隔30度的曲柄转角进行抽样，由此，式(9)中的N为24(＝720/30)(720是一个燃烧循环的曲柄角度)。

相位移动(phase shifting)部104从参数抽出部102接收所希望的成分的种类，并针对这些成分求出相位移动量。在本例中，如式(15)至(18)所示，针对基准区间设定的基准信号是一次sin函数fsin1(n)、二次sin函数fsin2(n)、一次cos函数fcos1(n)和二次cos函数fcos2(n)。针对各个基准信号分别求出相位移动量。

气缸内压信号的相位延迟量能够根据发动机的运转状态算出。在本实施例中，相位移动了与发动机的运转状态对应的量的基准信号fsin1、fsin2、fcos1和fcos2作为映射图而被预先存储起来。相位移动部104根据检测到的目标进气量Gcyl_cmd和检测到的发动机转速NE，参照该映射图求出相位移动后的fsin1(n)、fsin2(n)、fcos1(n)和fcos2(n)。这些映射图预先存储在存储器1c(图1)中。

图12表示关于fsin1和fsin2的映射图的示例。图12的(a1)和(a2)表示目标进气量Gcyl_cmd小于预定值的情况下的fsin1和fsin2。图12的(b1)和(b2)表示目标进气量Gcyl_cmd大于该预定值的情况下的fsin1和fsin2。fcos1和fcos2是fsin1和fsin2提前90度的函数，既可以通过计算算出，也可以在映射图中规定。

以图12的(a1)的映射图为例进行说明，随着发动机转速NE增大，气缸内压信号P的空耗时间增大，所以fsin1延迟。另外，负荷越上升，即目标进气量Gcyl_cmd越增大，因气缸向受压室的气体交换的影响而产生的空耗时间越短，所以fsin1提前。关于fsin2也被同样地规定。

气缸内压傅立叶系数确定部105根据气缸内压的样本Pn和通过相位移动部104进行相位移动后的sin函数以及cos函数，来计算气缸内压的傅立叶系数Pak和Pbk。在本例中，将通过相位移动部104进行相位移动后的fsin1(n)、fsin2(n)、fcos1(n)和fcos2(n)分别代入上述的式(15)～(18)中，计算出傅立叶系数Pb1、Pb2、Pa1和Pa2。

运算部106使用气缸内压的傅立叶系数Pak、Pbk、体积变化率的傅立叶系数Vak、Vbk和行程体积Vs，计算指示平均有效压力Pmi。在本例中，按照式(14)来计算指示平均有效压力Pmi。

可供选择的是，参数抽出部102也可以基于目标压缩比，参照图11的(a)和图11的(b)中所示的映射图。但是，典型的是，由于能够改变压缩比的压缩比可变机构有时延迟，所以优选基于实际的压缩比来求出体积变化率的傅立叶系数。

图13表示根据第一实施例而计算指示平均有效压力的结果。图13的(a)与图8的(a)所示内容相同。参照图13的(b)，sin函数73的相位延迟td的量而得到sin函数74，以便针对气缸内压信号72也确立气缸内压信号71与sin函数73之间的相关关系。其结果为，基于气缸内压信号72和sin函数74的傅立叶系数的值，与基于气缸内压信号71和sin函数73的傅立叶系数的值相同。如图13的(c)所示，使用基于气缸内压信号72和sin函数74的傅立叶系数而算出的指示平均有效压力，与使用基于气缸内压信号71和sin函数73的傅立叶系数而算出的指示平均有效压力76相等，没有产生误差(两个值重合地表示)。

图14是表示根据本发明的第一实施例而计算指示平均有效压力的过程的流程图。该过程典型的是，通过存储在存储器1c(图1)中的程序来执行。该过程例如响应预定的触发信号而起动。

在本例中，关于该过程即将起动之前的一个燃烧循环(这是观测区间)计来算指示平均有效压力。在该观测区间中，进行气缸内压信号P的抽样，得到2N个气缸内压的样本Pn。

在步骤S1中，根据对该观测区间所检测到的压缩比Cr，参照图11的(a)所示的映射图，抽出行程体积Vs。在步骤S2中，基于针对该观测区间而检测到的压缩比Cr，参照图11的(b)所示的映射图，求出希望的成分的种类，并且，针对该希望的成分而抽出体积变化率的傅立叶系数Vak和Vbk。

在步骤S3中，基于针对该观测区间所检测到的发动机转速NE和所算出的目标进气量Gcyl_cmd，参照图12所示的映射图，求出关于在步骤S2中求出的希望的成分在相位移动后的sin函数(fsink(n))。

在步骤S4中，通过使在步骤S3中求出的sin函数提前90度，从而求出相位移动后的cos函数(fcosk(n))。

在步骤S5中，使用在该观测区间中得到的2N个气缸内压的样本Pn、以及针对该观测区间得到的2N个相位移动后的fsink(n)和fcosk(n)，来计算出针对该希望成分的气缸内压傅立叶系数Pak和Pbk。

在步骤S6中，根据在步骤S1和S2中抽出的行程体积Vs、体积变化率的傅立叶系数Vak和Vbk，以及在步骤S5中算出的气缸内压的傅立叶系数Pak和Pbk，按照式(9)而计算指示平均有效压力Pmi。

实施例2

接下来说明第二实施例。作为现有方法的一例，如式(19)所示，提出了根据气缸内压信号的一次成分c₁cosφ₁和二次成分c₂cosφ₂来算出指示平均有效压力的方法(参照日本特公平8-20339号)。在该式中不含有体积变化率的参数，由此，该方法能够算出针对行程体积不变化的预定的发动机的指示平均有效压力。

在此，λ是通过(发动机的连杆长度/发动机的曲轴半径)算出的值。在四冲程发动机的情况下，A＝π/2，在两冲程发动机的情况下，A＝π。

【数14】

$\mathrm{Pmi}=A(c_1\cos {\mathrm{\φ}}_1+\frac{1}{2\mathrm{\λ}}{c}_2\cos {\mathrm{\φ}}_2)---\left(19\right)$

c1表示气缸内压信号中的发动机旋转的一次成分的振幅，φ1表示气缸内压信号P的相对于发动机旋转的一次成分的进气TDC的相位差。c2表示气缸内压信号中的发动机旋转的二次成分的振幅，φ2表示气缸内压信号的相对于发动机旋转的二次成分的进气TDC的相位差。

能够在90度的曲柄转角得到一次成分c₁cosφ₁，并在45度的曲柄转角得到二次成分c₂cosφ₂。这样，根据该方法，需要在距进气行程的上止点TDC正确的角度(90度和45度)处得到一次和二次成分。

提出了上述的式(19)改良后的方法，根据该方法，能够基于气缸内压的傅立叶系数b1和b2，如式(20)所示算出指示平均有效压力Pmi。傅立叶系数b1和b2的值根据在观测区间检测哪部分的气缸内压信号而有较大的变化。因此，根据该方法，为了正确地算出指示平均有效压力，有必要从进气行程的上止点TDC开始观测区间。

N表示曲轴周期中的抽样次数。积分区间是从进气行程的上止点开始的一个燃烧循环(这是观测区间)，该一个燃烧循环中的样本数是2N。n表示样本编号。Pn表示由第n次抽样得到的气缸内压的样本。

【数15】

$\mathrm{Pmi}=A(b1+\frac{1}{2\mathrm{\λ}}b2)---\left(20\right)$

$b1=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pn}\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}n=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pnf}\sin 1---\left(21\right)$

$b2=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pn}\sin 2\frac{2\mathrm{\π}}{N}n=\frac{2}{2N}\underset{n=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Pnf}\sin 2---\left(22\right)$

观测区间的位置有时错位。参照图15的(a)，该图表示气缸内压信号121。在作为进气行程的TDC的t0时刻送出触发信号125，响应该触发信号从而观测区间A开始。针对观测区间A计算指示平均有效压力Pmi。

图15的(b)表示触发信号126相对于触发信号125延迟ta而送出的情况。响应在t1时刻送出的触发信号126，开始观测区间B。观测区间B的开始时刻相对于观测区间A的开始时刻延迟ta。针对观测区间B计算指示平均有效压力Pmi。观测区间A和B的长度与基准区间的长度相等，典型的是等于一个燃烧循环的长度。

将图8的(b)所示的例如在观测区间A的开始时刻具有零值的一次sin函数设定为基准信号。由于观测区间的开始时刻的偏离，使观测区间B中的气缸内压信号121与该sin函数之间的关于相位的相关关系和观测区间A的气缸内压信号121与sin函数之间的关于相位的相关关系不同。作为结果，相对于针对观测区间A算出的傅立叶系数的值，针对观测区间B算出的傅立叶系数的值包含误差，如图8的(c)所示，在算出的指示平均有效压力中产生误差。

参照图16说明避免这样的误差的方法。图16的(a)以被虚线131包围的方式表示基准区间中的气缸内压信号132和基准信号133之间的成为基准的相位关系。该基准相位关系能够通过在整个预定的基准区间观测气缸内压信号时的气缸内压信号132和在该基准区间的开始时刻具有零值的一次sin函数133(＝sin(2π/N)n)而预先决定。

图16的(b)表示在所给的观测区间B中检测到的气缸内压信号134。观测区间B的燃烧循环中的开始时刻相对于基准区间的燃烧循环中的开始时刻(在本例中是进气行程的上止点)偏移ta。

在图16的(b)中，为了确立像图16的(a)那样的基准相位关系，在观测区间B中设定与构成基准相位关系的基准信号相同的基准信号。即，在观测区间B中设定在观测区间B的开始时刻具有零值的一次sin函数135作为基准信号。使该被设定的基准信号135的相位提前ta，从而得到基准信号136。如果参照从相对于观测区间B提前了ta的时刻开始的区间R，则可知确立了像图16的(a)那样的基准相位关系。这样，能够针对检测到的气缸内压信号确立基准相位关系。

由于确立了基准相位关系，所以针对观测区间B的气缸内压信号134和基准信号136的傅立叶系数具有与针对基准区间的气缸内压信号132和基准信号133的傅立叶系数相同的值。因此，通过针对观测区间B而算出所检测到的气缸内压信号134和基准信号136的傅立叶系数，从而能够求出针对基准区间的傅立叶系数。

这样，即使在观测区间的位置偏移的情况下，也能够从该观测区间求出针对基准区间的傅立叶系数、即没有误差的傅立叶系数。由于傅立叶系数不包含误差，所以能够正确地算出指示平均有效压力。

在图中，将一次sin函数表示为基准信号，所以对应的傅立叶系数是Pb1。即使对于傅立叶系数Pb2，通过使二次sin函数移动相位，也能够算出指示平均有效压力。

如第一实施例所述，可供选择的是，在基准区间所设定的基准信号也可以使用cos函数或其他次数的sin函数。另外，该基准信号也可以设定为在基准区间的开始时刻具有零以外的值。

图17是表示根据第二实施例的计算指示平均有效压力的装置的方框图。功能方框201至205能够在ECU1中实现。典型的是，这些功能通过存储在ECU1中的计算机程序来实现。可供选择的是，也可以通过硬件、软件、程序包以及它们的组合来实现这些功能。运转状态检测部201根据气缸内压传感器15(图1)的输出来计算气缸内压P。抽样部203以预定周期对这样算出的气缸内压P进行抽样，从而取得气缸内压的样本Pn。

运转状态检测部201进而检测观测区间的开始时刻的延迟ta。预先确定基准区间的燃烧循环中的开始时刻(例如进气行程的TDC)。运转状态检测部201检测观测区间开始的触发信号，从而能够检测该触发信号相对于该基准区间在燃烧循环中的开始时刻的相对差。该差与观测区间的开始时刻的延迟ta对应。

相位移动部204求出与发动机的运转状态对应的相位移动量。在本例中，如式(21)和(22)所示，针对基准区间设定的基准信号是一次sin函数fsin1(n)和二次sin函数fsin2(n)。相位移动量针对各个基准信号分别求出。

在本实施例中，相位以与发动机的运转状态对应的量移动后的fsin1和fsin2作为映射图预先存储在存储器1c中。相位移动部204从运转状态检测部201接收观测区间的开始时刻的延迟ta。基于该延迟ta避过那参照该映射图，求出相位移动后的fsin1和fsin2。

图18的(a)和(b)分别表示关于fsin1和fsin2的映射图的示例。以图18的(a)的映射图为例进行说明，随着延迟ta增大，fsin1提前。

气缸内压傅立叶系数确定部205根据气缸内压的样本Pn和通过相位移动部204进行相位移动后的fsin1以及fsin2，按照式(21)和(22)分别计算气缸内压的傅立叶系数b1和b2。

运算部206使用气缸内压的傅立叶系数b1和b2，按照式(20)计算指示平均有效压力Pmi。

图19是表示根据本发明的第二实施例的、计算指示平均有效压力的过程的流程图。该过程典型的是，通过存储在存储器1c(图1)中的程序来执行。该过程例如响应与曲柄信号同步的触发信号而起动。

在本例中，对于该过程即将起动之前的一个燃烧循环(这是观测区间)计算指示平均有效压力。在该观测区间中，进行气缸内压信号P的抽样，得到2N个气缸内压样本Pn。

在步骤S11中，根据该观测区间的开始时刻的延迟ta，参照图(18)所示的映射图，求出相位移动后的sin函数(fsin1(n)和fsin2(n))。

在步骤S12中，使用在整个该观测区间所取得的2N个气缸内压的样本Pn、以及针对该观测区间所求得的2N个相位移动后的fsin1(n)和fsin2(n)，按照式(21)和式(22)算出气缸内压傅立叶系数b1和b2。

在步骤S13中，根据在步骤S12中算出的气缸内压的傅立叶系数b1和b2，按照式(20)计算指示平均有效压力Pmi。

在第二实施例的上述的说明中，说明了观测区间的位置偏移的情况。但是，即使在气缸内压信号产生延迟的情况下，与第一实施例相同，也能够算出傅立叶系数b1和b2。具体来讲，只要使在观测区间设定的基准信号的相位延迟该相位延迟的量，并算出该相位延迟了的基准信号与气缸内压信号的傅立叶系数即可。

本发明能够应用于通用的(例如舷外马达等的)内燃机。

Claims (20)

1、一种计算发动机的作功量的装置，

上述计算发动机的作功量的装置具有：

预先确立装置，其针对预定的基准区间，将上述发动机的气缸内压和由预定的频率成分构成的基准信号的关于相位的相关关系预先确立为基准相位关系；

检测装置，其针对所给的观测区间，检测上述发动机的气缸内压；

基准信号计算装置，其计算与上述检测到的发动机的气缸内压对应的上述基准信号，以使上述基准相位关系成立；

相关系数计算装置，其针对上述观测区间，计算上述检测到的发动机的气缸内压与上述算出的基准信号之间的相关系数；和

作功量计算装置，其根据上述相关系数计算上述发动机的作功量。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

上述相关系数是当对上述气缸内压进行傅立叶级数展开时的傅立叶系数。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

上述基准信号计算装置还具有：

相位延迟计算装置，其计算在上述观测区间中检测到的气缸内压的、相对于上述基准区间中的气缸内压的相位延迟；

在上述观测区间设定与构成上述基准相位关系的基准信号相同的基准信号的装置；和

使设定在上述观测区间的基准信号的相位延迟上述相位延迟的量，并计算与上述检测到的发动机的气缸内压对应的基准信号的装置。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

上述计算发动机的作功量的装置还包括检测上述发动机的运转状态的装置，

上述相位延迟计算装置根据上述检测到的发动机的运转状态，计算上述相位延迟。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

上述基准信号计算装置还包括：

延迟计算装置，其计算上述观测区间的开始时刻的、相对于上述基准区间的开始时刻的延迟；

在上述观测区间设定与构成上述基准相位关系的基准信号相同的基准信号的装置；和

使设定在上述观测区间的基准信号的相位提前上述延迟的量，并计算与上述检测到的发动机的气缸内压对应的基准信号的装置。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，

上述延迟计算装置还根据上述基准区间的开始时刻与上述观测区间的开始时刻的相对差进行计算。

7、一种计算发动机的作功量的装置，其特征在于，

上述计算发动机的作功量的装置具有：

成分确定装置，其从通过对上述发动机的体积变化率进行频率分解而获得的频率成分中，确定希望用于计算上述发动机的作功量的成分；

预先确立装置，其针对预定的基准区间，将上述发动机的气缸内压和由上述确定的成分构成的基准信号的关于相位的相关关系预先确立为基准相位关系；

基准信号计算装置，其计算与所给的观测区间中的气缸内压对应的上述基准信号，以使上述基准相位关系成立；

第一计算装置，其计算上述观测区间中的上述发动机的气缸内压和上述算出的基准信号之间的第一相关系数；

第二计算装置，其计算上述观测区间中的上述发动机的体积变化率和上述算出的基准信号之间的第二相关系数；和

作功量计算装置，其根据上述第一相关系数和上述第二相关系数，计算上述发动机的作功量。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

上述计算发动机的作功量的装置还包括：

对上述发动机的行程体积进行变更的机构；和

求出上述行程体积的行程体积计算装置，

上述作功量计算装置根据上述行程体积、上述第一相关系数和上述第二相关系数，计算上述发动机的作功量。

9、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

上述计算发动机作功量的装置还包括检测上述发动机的运转状态的装置，

上述成分确定装置根据该检测到的发动机的运转状态，确定上述希望的成分。

10、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

采用指示平均有效压力作为上述发动机的作功量的指标。

11、一种计算发动机的作功量的方法，其特征在于，

上述方法包括如下步骤：

(a)针对预定的基准区间，将上述发动机的气缸内压和由预定的频率成分构成的基准信号的关于相位的相关关系预先确立为基准相位关系的步骤；

(b)针对所给的观测区间，检测上述发动机的气缸内压的步骤；

(c)计算与上述检测到的发动机的气缸内压对应的上述基准信号，以使上述基准相位关系成立的步骤；

(d)针对上述观测区间，计算上述检测到的发动机的气缸内压与上述算出的基准信号之间的相关系数的步骤；和

(e)根据上述相关系数，计算上述发动机的作功量的步骤。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

上述相关系数是当对上述气缸内压进行傅立叶级数展开时的傅立叶系数。

13、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

上述步骤(c)还包括如下步骤：

(c1)计算在上述观测区间中检测到的气缸内压的、相对于上述基准区间中的气缸内压的相位延迟的步骤；

(c2)在上述观测区间设定与构成上述基准相位关系的基准信号相同的基准信号设定的步骤；和

(c3)使设定在上述观测区间的基准信号的相位延迟上述相位延迟的量，并计算与上述检测到的发动机的气缸内压对应的基准信号的步骤。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，

上述方法还包括检测上述发动机的运转状态的步骤，

上述步骤(c1)根据上述检测到的发动机的运转状态，计算上述相位延迟。

15、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

上述步骤(c)还包括如下步骤：

(c1)计算上述观测区间的开始时刻的、相对于上述基准区间的开始时刻的延迟的步骤；

(c2)在上述观测区间设定与构成上述基准相位关系的基准信号相同的基准信号的步骤；和

(c3)使设定在上述观测区间的基准信号的相位提前上述延迟的量，并计算与上述检测到的发动机的气缸内压对应的基准信号的步骤。

16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，

上述步骤(c1)还根据上述基准区间的开始时刻与上述观测区间的开始时刻的相对差进行计算。

17、一种计算发动机的作功量的方法，其特征在于，

上述方法包括如下步骤：

(a)从通过对上述发动机的体积变化率进行频率分解而获得的频率成分中，确定希望用于计算上述发动机的作功量的成分的步骤；

(b)针对预定的基准区间，将上述发动机的气缸内压和由上述确立的成分构成的基准信号的关于相位的相关关系预先确立为基准相位关系的步骤；

(c)计算与所给的观测区间中的气缸内压对应的上述基准信号，以使上述基准相位关系成立的步骤；

(d)计算上述观测区间中的上述发动机的气缸内压和上述算出的基准信号之间的第一相关系数的步骤；

(e)计算上述观测区间中的上述发动机的体积变化率和上述算出的基准信号之间的第二相关系数的步骤；和

(f)根据上述第一相关系数和上述第二相关系数，计算上述发动机的作功量的步骤。

18、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，

上述方法还包括求出上述发动机的行程体积的步骤，

上述步骤(f)包括根据上述行程体积、上述第一相关系数和上述第二相关系数计算上述发动机的作功量。

19、根据权利要求17所述的方法，其特征在于，

上述方法还包括检测上述发动机的运转状态的步骤，

上述步骤(a)包括根据该检测到的发动机的运转状态，确定上述希望的成分。

20、根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

采用指示平均有效压力作为上述发动机的作功量的指标。

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