CN114930010A - 内燃机控制装置 - Google Patents

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CN114930010A CN202180008587.9A CN202180008587A CN114930010A CN 114930010 A CN114930010 A CN 114930010A CN 202180008587 A CN202180008587 A CN 202180008587A CN 114930010 A CN114930010 A CN 114930010A
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Abstract

本发明即便在燃烧室内的燃烧状态大幅变化的情况下也高精度地推定燃烧状态。本发明的一形态的内燃机控制装置(12)具备：转速算出部(122a)，其算出内燃机的曲柄转速；极值时刻算出部(122b)，其算出由该转速算出部(122a)算出的曲柄转速成为极值的极值时刻；燃烧状态算出单元选择部(122c)，其根据内燃机的运转状态来选择算出燃烧室内的燃烧状态的燃烧状态算出单元；以及燃烧状态推定部(122d)，其使用由该燃烧状态算出单元选择部(122c)选择的燃烧状态算出单元，根据曲柄转速的极值时刻来推定燃烧室内的燃烧状态。

Description

内燃机控制装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机控制装置，尤其涉及一种推定燃烧室内的燃烧的时刻的技术。
背景技术
近年来，发动机中与燃料消耗量(油耗)和废气有害成分相关的规定在强化，这样的规定在今后也有愈发强化的趋势。在这样的状况下，推定发动机的燃烧室内的燃烧状态并根据该推定结果来控制发动机的技术为人所知。通过根据当前的燃烧状态来恰当地控制点火时间和喷射时间等，能够提高发动机的热效率、减少有害气体的排出。这样的燃烧状态的推定技术的例子例如在专利文献1中有揭示。
专利文献1中记载了以下内容：“具备加速度算出部和推定部，所述加速度算出部算出对应于输出轴的旋转位置的旋转加速度，所述推定部根据由加速度算出部算出的旋转加速度来推定内燃机的燃烧室内的燃烧状态”。此外，专利文献1中记载了以下内容：“加速度算出部算出输出轴的旋转加速度成为极值的旋转位置，推定部根据成为极值的旋转位置来推定燃烧状态”。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2017-150393号公报
发明内容
发明要解决的问题
在汽车等移动体中，大多在加速或减速等过渡状态下运转内燃机，燃烧状态(例如燃烧相位)有可能在大范围内变化。通过本发明者等人的研究，明确了以下事实：在燃烧相位大幅提前的情况下，相对于燃烧相位不大幅提前的情况而言，转速或旋转加速度成为极值的旋转位置与燃烧相位的相关特性会发生变化。上述专利文献1中没有考虑到该相关特性的变化，在燃烧相位发生了大幅变化的情况下，有燃烧相位的推定精度明显降低之虞。
本发明是鉴于上述状况而成，其目的在于，即便在燃烧室内的燃烧状态大幅变化的情况下也高精度地推定燃烧状态。
解决问题的技术手段
为解决上述问题，本发明的一形态的内燃机控制装置具备：转速算出部，其算出内燃机的曲柄转速；极值时刻算出部，其算出由该转速算出部算出的曲柄转速成为极值的极值时刻；燃烧状态算出单元选择部，其根据内燃机的运转状态来选择算出燃烧室内的燃烧状态的燃烧状态算出单元；以及燃烧状态推定部，其使用由该燃烧状态算出单元选择部选择的燃烧状态算出单元，根据曲柄转速的极值时刻来推定燃烧室内的燃烧状态。
发明的效果
根据本发明的至少一形态，即便在燃烧室内的燃烧状态大幅变化的情况下也能高精度地推定燃烧状态。
上述以外的课题、构成及效果将通过以下实施方式的说明来加以明确。
附图说明
图1为表示运用本发明的发动机的截面的例子的说明图。
图2为表示本发明的第1实施方式的曲柄角传感器所进行的转速检测的原理的说明图。
图3为表示本发明的第1实施方式的控制器的构成例的框图。
图4为表示本发明的第1实施方式的控制器所进行的发动机控制的整体处理的次序例的流程图。
图5为表示本发明的第1实施方式的控制器的转速算出部所进行的转速算出处理的次序例的流程图。
图6为表示本发明的第1实施方式的循环平均转速的时间序列数据的求法的说明图。
图7为表示本发明的第1实施方式的将谐波分量去除前后的曲柄转速的时间序列数据的例子的说明图。
图8为表示本发明的第1实施方式的控制器的极值时刻算出部所进行的处理的次序例的流程图。
图9为表示三缸四循环发动机的行程排序的例子的说明图。
图10为表示本发明的第1实施方式的对三缸四循环发动机的每一汽缸设定窗口的例子的说明图。
图11为表示本发明的第1实施方式的将窗口内的转速的时间序列数据(曲柄角)转换成局部曲柄角的例子的说明图。
图12为表示本发明的第1实施方式的发动机转速的最大时刻的算出方法的例子的说明图。
图13为表示最大速度时刻与燃烧相位的关系的特性图。
图14为表示每一汽缸的燃烧相位与最大速度时刻的关系例的特性图。
图15为表示曲柄角与曲柄转矩的关系的特性图。
图16为表示曲柄角与转速的关系的特性图。
图17为表示本发明的第1实施方式的基于点火时间的内燃机状态推定图的例子的图。
图18为表示本发明的第1实施方式的基于点火时间和EGR率的内燃机状态推定图的例子的图。
图19为表示分配对应于EGR阀开度和节气门开度的EGR率的图谱的例子的图。
图20为表示本发明的第1实施方式的基于点火时间和空燃比的内燃机状态推定图的例子的图。
图21为表示本发明的第1实施方式的基于点火时间和气门重叠量的内燃机状态推定图的例子的图。
图22为表示正重叠时的重叠量的定义的说明图。
图23为表示负重叠时的重叠量的定义的说明图。
图24为表示可变压缩比机构下的活塞上止点位置的变化的说明图。
图25为表示本发明的第1实施方式的基于点火时间和上止点位置的内燃机状态推定图的例子的图。
图26为表示压缩上止点前后的曲柄角与转速、曲柄角与转速微分值的关系的特性图。
图27为表示本发明的第2实施方式的基于转速的变动幅度的相关区域的判定方法的说明图。
图28为表示本发明的第2实施方式的基于转速微分的极大值的相关区域的判定方法的说明图。
图29为表示本发明的第2实施方式的基于转速微分的极小绝对值的相关区域的判定方法的说明图。
图30为表示压缩上止点前后的曲柄角与汽缸内的压力的关系的特性图。
图31为表示点火一次线圈电压的时间变化的特性图。
图32为表示本发明的第3实施方式的基于点火放电期间的相关区域的判定方法的说明图。
图33为表示本发明的第3实施方式的基于点火一次线圈电压的相关区域的判定方法的说明图。
图34为表示本发明的第3实施方式的、根据内燃机的运转状态来设定点火一次线圈电压和点火放电期间的阈值的例子的说明图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明的具体实施方式的例子进行说明。在本说明书及附图中，对实质上具有同一功能或构成的构成要素标注同一符号并省略重复的说明。
〈第1实施方式〉
[发动机的构成]
首先，参考图1，对运用本发明的发动机的例子进行说明。
图1展示运用本发明的发动机的截面的例子。发动机1为火花点火四循环汽油发动机，由发动机缸盖和汽缸13、活塞14、进气门15以及排气门16形成了燃烧室。在发动机1中，燃料喷射阀18设置在发动机缸盖上，而且燃料喷射阀18的喷射喷嘴贯通到燃烧室内，由此构成了所谓的缸内直喷式内燃机。此外，发动机缸盖上同时设置有火花塞17。燃烧用的空气通过空气滤清器19、节气门20以及进气端口21而导入至燃烧室内。并且，从燃烧室排出的燃烧后的气体(废气)通过排气端口24及催化转化器25而排出至大气。
导入至燃烧室的空气的量由设置在节气门20上游侧的气流传感器22进行计量。此外，从燃烧室排出的气体(废气)的空燃比由设置在催化转化器25上游侧的空燃比传感器27进行检测。此外，将汽缸13与曲柄箱一体化的结构的汽缸体(图示省略)上设置有爆震传感器10。爆震传感器10输出与燃烧室内的爆震状态量相应的检测信号。
排气端口24与进气端口21由EGR管28连通，构成了流过排气端口24的废气的一部分被送回至进气端口21的内部的所谓的废气再循环系统(EGR系统)。流过EGR管28的废气的量由EGR阀29进行调整。
进而，在曲柄30的轴部设置有正时转子26(信号转子)。相向配置在正时转子26(被检测部)附近的曲柄角传感器11(检测部)检测正时转子26的旋转，由此来检测曲柄30的旋转和相位即曲柄转速(发动机转速)。爆震传感器10及曲柄角传感器11的检测信号导入至控制器12，在控制器12中用于发动机1的运转状态的检测和运转控制。在本说明书中，有时将曲柄转速简称为“转速”。
控制器12输出节气门20的开度、EGR阀29的开度、燃料喷射阀18的燃料喷射正时和燃料喷射量、火花塞17的点火时间等的指令，将发动机1控制为规定的运转状态。作为控制器12，例如可以使用ECU(Engine Control Unit，发动机控制单元)。
再者，图1中仅展示了单个汽缸以展示发动机1的燃烧室的构成，但本发明的实施方式的发动机也可为由多个汽缸构成的多缸发动机。
[曲柄转速的检测]
此处，对曲柄角传感器所进行的曲柄转速的检测进行说明。
图2展示使用曲柄角传感器11和正时转子26来检测曲柄转速的原理。
在安装于发动机1的曲柄30的正时转子26的外周上以一定的角度间隔Δθ设置有信号齿26a。通过曲柄角传感器11来检测相邻信号齿26a通过曲柄角传感器11的检测部的时间差Δt，从而求出曲柄转速ω＝Δθ/Δt[rad/s]。本实施方式中使用的是这样的原理，所以按每一旋转角Δθ来检测曲柄转速，该曲柄转速为旋转角Δθ间的平均转速。
[控制器的构成]
接着，对控制器12的构成例进行说明。
图3为表示控制器12的构成例的框图。控制器12具备经由未图示的系统总线而相互电性连接在一起的输入输出部121、控制部122以及存储部123。
输入输出部121具备未图示的输入端口和输出端口，对搭载发动机1的车辆内的各装置和各传感器进行输入及输出的处理。例如，输入输出部121读入曲柄角传感器的信号，并将该信号送至控制部122。此外，输入输出部121按照控制部122的命令将控制信号输出至各装置。
控制部122根据发动机1的汽缸13内的燃烧状态来控制发动机1。例如，控制部122根据汽缸13内的燃烧相位(燃烧室内成为某一燃烧状态时的曲柄30的位置)来控制点火时间、燃料喷射时间、燃料喷射量、EGR阀开度以及节气门开度。控制部122具备转速算出部122a、极值时刻算出部122b、燃烧相位算出单元选择部122c、燃烧相位算出部122d以及内燃机控制部122e。
转速算出部122a算出发动机1的曲柄转速(发动机转速)，获得发动机转速的时间序列数据。此外，转速算出部122a进行发动机转速的时间序列数据的平均化和谐波分量的去除，并将得到的发动机转速的时间序列数据输出至极值时刻算出部122b。
极值时刻算出部122b根据从转速算出部122a输入的发动机转速的时间序列数据来求转速成为极大值或极小值的时刻的曲柄角，并将其结果输出至燃烧相位算出部122d。
燃烧相位算出单元选择部122c根据发动机1的运转状态来选择算出发动机1的燃烧室内的燃烧相位(燃烧状态的例子)的燃烧相位算出单元(燃烧相位算出方法，例如图13的校正曲线f1、f2)，并将其选择结果输出至燃烧相位算出部122d。此处，发动机1的运转状态的信息(运转状态参数)中除了直接表示发动机1的运转状态的信息以外还包含对发动机1的控制指令值等。
燃烧相位算出部122d使用由燃烧相位算出单元选择部122c选择的燃烧相位算出单元，根据由极值时刻算出部122b求出的发动机转速的极值时刻(曲柄角)来推定燃烧相位作为燃烧室内的燃烧状态。继而，燃烧相位算出部122d将推定出的燃烧室内的燃烧相位输出至内燃机控制部122e。燃烧相位算出部122d为燃烧状态推定部的一例。
内燃机控制部122e根据由燃烧相位算出部122d求出的发动机1的燃烧室内的燃烧相位来控制发动机1。
存储部123为RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)等易失性存储器或者ROM(Read Only Memory，只读存储器)等非易失性存储器。存储部123中记录有供控制器12所具备的运算处理装置(图示省略)执行的控制程序、各种参数以及阈值等。运算处理装置从存储部123读出并执行控制程序，由此实现控制部122的各块的功能。例如，可以使用CPU(central processing unit，中央处理器)或MPU(micro processing unit，微处理单元)作为运算处理装置。再者，控制器12具有由半导体存储器等构成的非易失性辅助存储装置，上述控制程序也可存放在辅助存储装置中。
[发动机控制的整体处理]
接着，参考图4，对控制器12所进行的发动机控制的整体处理进行说明。
图4为表示控制器12所进行的发动机控制的整体处理的次序例的流程图。首先，转速算出部122a根据发动机1的转速的时间序列数据来计算多个循环的发动机转速的平均值(S1)。在本说明书及附图中，将多个循环的发动机转速的平均值称为“循环平均的转速”。步骤S1的处理的详情将使用图5进行说明。
然后，极值时刻算出部122b检测发动机转速的极值时刻(S2)。步骤S2的处理的详情将使用图5进行说明。
然后，燃烧相位算出单元选择部122c获取运转状态参数Cp(S3)。继而，燃烧相位算出单元选择部122c判定运转状态参数Cp为第1状态或第2状态中的哪一个(S4)。
在燃烧相位算出单元选择部122c中判定运转状态参数Cp为第1状态的情况下，燃烧相位算出部122d利用第1相关特性式(第1燃烧相位算出单元)来推定燃烧相位(S5)。此外，在燃烧相位算出单元选择部122c中判定运转状态参数Cp为第2状态的情况下，燃烧相位算出部122d利用第2相关特性式(第2燃烧相位算出单元)来推定燃烧相位(S6)。
然后，在步骤S5或S6的结束后，内燃机控制部122e根据燃烧室内的推定出的燃烧相位来控制发动机1(S7)。在步骤S7的处理后，结束本流程图的一系列处理。
[转速算出部]
接着，参考图5，对控制器12的转速算出部122a所进行的转速算出处理(步骤S1)进行说明。
图5为表示转速算出部122a所进行的处理的次序例的流程图。首先，转速算出部122a以规定采样周期读入曲柄角传感器11的输出值(S11)。然后，转速算出部122a根据曲柄角传感器11的输出值而按一定的角度间隔Δθ来算出Δθ间的转速ω，并写入至RAM上的存储区域Mω(i)(S12)。
通过在一循环间(曲柄角度0～720°)重复上述步骤S11～S12的处理，获得一循环的转速的时间序列数据ω(i)。此处，i的可取范围以1～720/Δθ表示。例如，在Δθ＝10°的情况下，在存储区域Mω(i)中获得由曲柄角10°起到720°为止这合计72个点(i＝1～72)构成的转速的时间序列数据ω(i)。并且，转速算出部122a跨及多个循环而执行步骤S11～S12的处理。
然后，转速算出部122a根据由曲柄角传感器11检测到的发动机1的转速的时间序列数据来求循环平均的发动机转速的时间序列数据(S13)。其目的在于在每一循环中发动机转速发生了偏差的情况下避免对燃烧状态的推定结果产生不良影响。
此处，使用图6，对循环平均的发动机转速的时间序列数据的具体求法进行说明。
图6展示循环平均的发动机转速的时间序列数据的求法。在转速算出部122a中，导入由曲柄角传感器11每隔一定曲柄角(Δθ)得到的发动机转速的时间序列数据作为发动机1的一个循环(曲柄角720°期间)的时间序列数据。例如，在Δθ＝10°的情况下，在转速算出部122a中导入由曲柄角10°起到720°为止这合计72个点构成的转速的时间序列数据。图6的左图展示如此导入的每一循环的转速的时间序列数据的一例。
将每一循环的转速的时间序列数据的导入作规定循环数N(例如100循环)的重复，通过式(1)求出循环平均的发动机转速的时间序列数据。将各离散点(曲柄角度)上的发动机转速的值分别以规定循环数N进行平均，由此获得图6的右图所示的去除了循环偏差的发动机转速的时间序列数据。
[数式1]
Figure BDA0003735042000000091
ω：转速
θ：曲柄角度
N：进行平均的对象循环数
i：循环编号
返回至图5，对转速算出部122a所进行的处理的次序继续进行说明。接着，在转速算出部122a中，求出从循环平均的发动机转速的时间序列数据中去掉了谐波分量的发动机转速ω的时间序列数据(S14)。转速算出部122a以规定的时间间隔来执行步骤S11～S14的处理。
进行该谐波分量的去除处理是为了从发动机转速中将与燃烧无关的变动分量去掉。作为与燃烧无关的转速的变动分量，例如有发动机1的负荷的机械性波动造成的旋转变动、正时转子26的信号齿26a的加工偏差(间距误差)造成的转速检测值的偏差、曲柄角传感器11的信号中包含的电噪声等。与因燃烧所产生的转矩(以下称为“燃烧转矩”)而发生的发动机旋转变动相比，这些分量通常为短周期的变动，因此可以通过从转速数据中去除谐波分量来予以减少。通过从转速数据中去除与燃烧无关的变动分量，能在基于发动机旋转变动的燃烧状态的推定中提高其推定精度。
为了从转速数据中去除谐波分量，在转速算出部122a中使用式(2)所示的傅里叶级数展开来重构发动机转速的时间序列数据。
在傅里叶级数展开中，通过频率不同的三角函数的相加对原函数进行重构。
[数式2]
Figure BDA0003735042000000101
Figure BDA0003735042000000102
Figure BDA0003735042000000103
ω(θ)AVE：原循环平均的转速
ω(θ)'：重构得到的循环平均的转速
k：三角函数的次数
θ：曲柄角度
Θ：循环期间
式(2)中，k为三角函数的次数，k越大，三角函数的频率便越高。因而，在使用傅里叶级数展开来重构发动机转速的时间序列数据时，只要以恰当的次数中止三角函数的相加，便能从原时间序列数据中去除比该次数高的频率分量。
在一般的三缸或四缸的四循环汽油发动机中，用于从转速的时间序列数据中去除与燃烧无关的谐波分量的三角函数的中止次数n较理想为3～5左右。但是，能够想到，合理的中止次数n会根据发动机的构成和运转条件而发生变化。
例如，当发动机的汽缸数增多时，燃烧转矩的变动所引起的发动机转速的变动的频率升高，因此宜进一步增大中止次数，以恰当地重构该变动分量。此外，在发动机转速变快的情况下，燃烧转矩的变动所引起的发动机转速的变动的频率也会升高，因此宜进一步增大中止次数。因而，若根据汽缸数和发动机转速来变更傅里叶级数展开中的三角函数的中止次数n，则能在基于发动机转速的变动的燃烧状态的推定中跨及广阔的运转范围而提高其推定精度。
如上所述，转速算出部122a对从曲柄角传感器11得到的曲柄转速的时间序列值(时间序列数据)进行有限次数的傅里叶级数展开，由此来重构曲柄转速的时间序列值。此外，较理想为根据曲柄转速来变更傅里叶级数展开的中止次数。
图7展示将谐波分量去除前后的曲柄转速的时间序列数据的例子。图7中，作为发动机1的一循环间(曲柄角度0～720°)的转速的时间序列数据的一例，展示了三缸四循环发动机的情况下的例子。
图7上侧为利用曲柄角传感器11求出的转速中包含谐波分量的情况下的转速的时间序列数据(高频分量去除前)的例子。此外，图7下侧为使用式(2)对图7上侧的转速的时间序列数据进行傅里叶级数展开并以4次而中止三角函数的相加的情况下的转速的时间序列数据(高频分量去除后)的例子。在图7上侧及图7下侧，横轴表示曲柄角[deg]，纵轴表示转速[rpm]。
在该例中，通过使用傅里叶级数展开来重构转速的时间序列数据，高频率的变动分量被去除，仅提取出周期为240°的低频变动分量。发生该低频率的转速变动的原因在于，随着每一汽缸的间歇性的燃烧，作用于曲柄的燃烧转矩发生变动。因而，该变动周期与发动机的爆发周期相同。例如在三缸四循环发动机中，变动周期为240°(720°/3)。在四缸四循环发动机中，变动周期为180°(720°/4)。
极值时刻算出部122b以汽缸数来分割曲柄角720°期间内的曲柄转速的时间序列值(时间序列数据)的期间，将包含各汽缸的压缩上止点的期间的曲柄转速的时间序列值分配为该汽缸中的曲柄转速的时间序列值。此外，极值时刻算出部122b较理想为根据分配给各汽缸的曲柄转速的时间序列值来算出每一汽缸的曲柄转速的极值时刻。此外，极值时刻算出部122b较理想为根据曲柄转速的离散时间序列值而使用连续函数将曲柄转速的时间序列值加以近似、使用该连续函数来算出曲柄转速的极值时刻。
[极值时刻算出部]
接着，参考图8，对控制器12的极值时刻算出部122b所进行的极值时刻算出处理(步骤S2)进行说明。
图8为表示极值时刻算出部122b所进行的处理的次序例的流程图。在极值时刻算出部122b中，将发动机循环整体也就是发动机1的一循环(曲柄角0～720°)的发动机转速的时间序列数据转换为与每一汽缸的循环同步的局部曲柄角(S21)。该局部曲柄角的转换处理将利用图10及图11于后文叙述。
接着，极值时刻算出部122b根据已转换成局部曲柄角的发动机转速的时间序列数据来算出发动机转速成为最大(或最小)速度的时刻的局部曲柄角(S22)。在步骤S22的处理后，结束本流程图。
(局部曲柄角的转换处理)
此处，使用图9～图11，对极值时刻算出部122b中的局部曲柄角的转换处理(S21)进行说明。
图9展示三缸四循环发动机的各行程的排序。在四循环发动机中，轮流进行进气、压缩、膨胀、排气这4个行程。在三缸发动机中，汽缸间的行程各错开曲柄角240°。若以第2汽缸、第1汽缸、第3汽缸的顺序进行对发动机的点火，则第1汽缸的行程相对于第2汽缸而言慢240°，进而，第3汽缸的行程相对于第1汽缸而言慢240°。
燃烧的状态被强烈地反映到曲柄转速中是在缸内压力成为最大的各汽缸的压缩上止点附近。因此，在步骤S21中，以将各汽缸的压缩上止点作为中心的曲柄角240°的区间(窗口)来分割循环整体(曲柄角0～720°)的转速的时间序列数据。对各窗口分配包含相应汽缸的压缩上止点的转速数据。
图10为三缸四循环发动机中以各汽缸的压缩上止点为中心而对一个循环的发动机转速的时间序列数据设定宽度240°的窗口的例子。曲柄角0～240°的区间内包含第3汽缸的压缩上止点，所以将其分配为第3汽缸窗口。同样地，将曲柄角240～480°的区间分配为第2汽缸窗口，将曲柄角480～720°的区间分配为第1汽缸窗口。
当如此对转速的时间序列数据分配各窗口时，第3汽缸的燃烧状态比其他汽缸窗口的转速数据强烈地反映到第3汽缸窗口的转速数据中。同样地，第2汽缸的燃烧状态比其他汽缸窗口的转速数据强烈地反映到第2汽缸窗口的转速数据中。此外，第1汽缸的燃烧状态比其他汽缸窗口的转速数据强烈地反映到第1汽缸窗口的转速数据中。因而，通过使用各窗口的转速数据，能按每一汽缸来推定燃烧状态。
进而，在步骤S21中，将各窗口中的转速的时间序列数据的曲柄角转换为以各汽缸的压缩上止点(ATDC0°)为基准的局部曲柄角。
图11展示将窗口内的转速的时间序列数据(曲柄角)转换成局部曲柄角的例子。在本例中，使用将各汽缸的压缩上止点设为零的-120～120°的局部曲柄角来再定义转速的时间序列数据。在步骤S21中，针对所有汽缸窗口来制作转换成局部曲柄角的转速的时间序列数据，并将该数据交给步骤S22。
接着，在步骤S22中，根据转换成局部曲柄角的转速的时间序列数据来算出转速成为最大的时刻或者转速成为最小的时刻。求转速的极值(旋转相位)的局部曲柄角不限于压缩上止点(0°)附近，例如也可在局部曲柄角120°附近求转速的极值。
如上所述，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，极值时刻算出部(极值时刻算出部122b)以将相当于各汽缸的压缩上止点的曲柄角包含在内的方式以内燃机(发动机1)的汽缸数(例如3)来分割曲柄转速的时间序列值的一循环的期间(0～720°)(参考图10)。然后，极值时刻算出部将分割期间(240°的范围)的曲柄转速的时间序列值分配为相应汽缸中的曲柄转速的时间序列值，并将分配给各汽缸的曲柄转速的时间序列值的时间序列数据转换为以相当于各汽缸的压缩上止点的曲柄角为基准(0°)的时间序列数据(参考图11)。继而，极值时刻算出部在针对每一汽缸而进行了时间序列数据的转换后，根据分配给各汽缸的曲柄转速的时间序列值来算出每一汽缸的曲柄转速的极值时刻(例如图12的局部曲柄角θmax)。
(转速的最大(最小)时刻的算出)
图12展示步骤S22中的发动机转速的最大(最小)时刻的算出方法的例子。
转速的时间序列数据为离散点数据，所以如图12所示，离散点数据中的转速的最大时刻(数据点n)与实际的转速(虚线所示的转速)的最大时刻发生偏差。因此，在步骤S22中，根据离散点数据而利用多项式将转速的时间序列变化进行近似、利用该近似式来求转速的最大时刻。
为此，在步骤S22中，首先从作为离散点数据的转速的时间序列数据中探索转速成为最大的数据点n。继而，提取数据点n上的局部曲柄角θn和转速ωn、数据点n的一离散点(一时刻前)的数据点(n－1)上的局部曲柄角θn－1和转速ωn－1、数据点n的一离散点后的数据点(n+1)上的局部曲柄角θn+1和转速ωn+1。
进而，在步骤S22中，利用局部曲柄角θ的二次函数即式(3)将转速ω近似。此处，a、b、c为常数。在步骤S22中，通过求解对式(3)代入θn、ωn、θn－1、ωn－1、θn+1、ωn+1而获得的三元一次方程组来求常数a、b、c。
[数式3]
ω＝aθ2+bθ+c …(3)
在转速ω成为极值的点上，式(3)的微分值为零。因此，在步骤S22中，极值时刻算出部122b利用式(3)的微分式即式(4)来求转速ω成为最大的局部曲柄角θmax(最大速度时刻)。通过同样的次序求出各汽缸的最大速度时刻的局部曲柄角θmax，并将它们交给燃烧相位算出部122d。图12所示的Pω是使用二次函数而通过近似(内插)来求出的最大速度点。
[数式4]
Figure BDA0003735042000000141
Figure BDA0003735042000000142
此外，在步骤S22中求转速的最小时刻的情况下，从作为离散点数据的转速的时间序列数据中探索转速成为最小的数据点n。继而，使用与求转速的最大时刻的情况同样的方法来求转速的最小时刻。
再者，本实施方式中是利用局部曲柄角θ的二次函数将转速ω近似，但本发明并不限于此。例如，可以使用局部曲柄角θ的三次函数、三角函数等各种连续函数将转速ω近似。
[燃烧相位算出部]
接着，使用图13，对控制器12的燃烧相位算出部122d的燃烧相位的算出方法进行说明。
图13展示发动机转速的最大速度时刻(局部曲柄角θmax)与燃烧相位的相关。“燃烧相位”例如可以定义为已燃质量分数(MFB：Mass Fraction Burned)成为规定值的曲柄角。作为燃烧相位的具体例，例如可列举已燃质量分数为10％(MFB10)时的曲柄角、已燃质量分数变为50％(MFB50)的曲柄角、已燃质量分数变为90％(MFB90)的曲柄角等。MFB50被称为燃烧重心。在本实施方式中，设想MFB50时的曲柄角作为燃烧相位，但并不限于该例。
本发明者等人发现，发动机转速的极值时刻(例如局部曲柄角θmax)与燃烧相位之间存在强相关。如图13所示，当燃烧相位相较于△符号所示的压缩上止点附近而言处于推迟侧时，发动机转速的最大速度时刻(局部曲柄角θmax)与燃烧相位成正相关(校正曲线f1)。即，当燃烧相位推迟时，最大速度时刻(局部曲柄角θmax)推迟。将表现出该特性的区域定义为“正相关区域”。处于正相关区域的校正曲线f1为燃烧相位算出单元的一例。所谓压缩上止点附近，是曲柄角距压缩上止点(ATDC0°)为规定角度的范围内，例如为ATDC2°。
另一方面，当燃烧相位相较于压缩上止点附近(例如ATDC2°)而言处于提前侧时，发动机转速的最大速度时刻(局部曲柄角θmax)与燃烧相位成负相关(校正曲线f2)。即，当燃烧相位提前时，最大速度时刻(局部曲柄角θmax)推迟。将表现出该特性的区域定义为“负相关区域”。处于负相关区域的校正曲线f2为燃烧相位算出单元的另一例。
预先以校正曲线的形式求出发动机转速的最大速度时刻(局部曲柄角θmax)与燃烧相位的相关特性。再者，校正曲线并非必须为数式(相关特性式)，例如也可为以转速的最大速度时刻(局部曲柄角θmax)为索引的参考表(相关特性表)。预先在对象发动机上实施燃烧实验或校准等来求出相关特性，并以相关特性式或相关特性表的形式存储在控制器12的存储部123等非易失性存储器中。此外，图13中是将校正曲线f1、f2所示的相关特性设为线性(以一次式表示的关系)，但也可根据发动机1的特性而为非线性。
(按每一汽缸而不同的校正曲线)
在多缸发动机的情况下，如图14所示，可使用按每一汽缸而不同的校正曲线(相关特性式、相关特性表)。图14展示了四缸发动机的校正曲线的例子，校正曲线35a、35b、35c、35d分别表示第1汽缸、第2汽缸、第3汽缸、第4汽缸的校正曲线。
(基本校正曲线和补偿值)
或者，也可在存储部123中按每一汽缸来存储汽缸间共通的基本校正曲线(例如校正曲线35a)和距该基本校正曲线的补偿值36，根据基本校正曲线(校正曲线35a)和每一汽缸的补偿值36来求各汽缸的校正曲线。再者，不限于将第1汽缸的校正曲线设定为基本校正曲线，也可将其他汽缸的校正曲线或者根据多个汽缸求出的平均校正曲线设定为基本校正曲线。
如上所述，本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)具备表示燃烧状态的燃烧相位与曲柄转速的极值时刻表现出正相关的第1相关特性(校正曲线f1)和表示燃烧状态的燃烧相位与曲柄转速的极值时刻表现出负相关的第2相关特性(校正曲线f2)作为燃烧状态算出单元。
此外，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，燃烧状态算出单元是以针对内燃机(发动机1)所具有的多个汽缸中的每一汽缸设定的、基于第1相关特性(校正曲线f1)及第2相关特性(校正曲线f2)的相关特性式或参考表的形式构成。燃烧状态算出单元选择部(燃烧相位算出单元选择部122c)对应于算出燃烧状态(燃烧相位)的汽缸而对相关特性式或参考表(校正曲线35a～35d)进行切换或修正(基本校正曲线35a和补偿值36)。
在多缸发动机中，由于发动机的制造公差、曲柄的扭转、汽缸间的燃烧特性的偏差等，曲柄转速(发动机转速)发生变化的时刻未必呈等间隔。因此，通过按每一汽缸来改变发动机转速的极值时刻与燃烧相位的相关特性(校正曲线)，汽缸间的特性的差异得到修正，与在汽缸间使用同一校正曲线的情况相比，燃烧相位的推定精度提高。再者，在多个汽缸中仅使用一个相关特性(校正曲线)的情况下，控制得到简化。
继而，根据发动机转速的最大速度时刻(局部曲柄角θmax)而使用校正曲线来推定燃烧相位。如前文所述，存在正相关区域和负相关区域，所以如图13所示，根据θmax而使用校正曲线推定的燃烧相位为MFB(1)和MFB(2)这2个值。因而，要决定燃烧相位，就需要决定使用校正曲线的正相关区域和负相关区域中的哪一者。
在燃烧相位算出单元选择部122c中，根据发动机1的运转状态(以下有时记作“内燃机状态”)来选择使用校正曲线的正相关区域和校正曲线的负相关区域中的哪一区域。继而，在燃烧相位算出部122d中，使用所选择的校正曲线的相关区域，根据从极值时刻算出部122b提交的发动机转速的最大速度时刻(局部曲柄角θmax)来推定当前的燃烧相位。此外，在使用发动机转速的最小速度时刻的情况下，控制也与使用最大速度时刻的情况下一致。
[最大速度时刻与燃烧相位之间产生正相关的原因]
此处，对燃烧相位相较于压缩上止点附近而言处于推迟侧的情况下在发动机转速的最大速度时刻(局部曲柄角θmax)与燃烧相位之间产生正相关的原因在下面进行说明。
发动机转速的时间变化由式(5)所示的旋转体的运动方程表示。此处，TC为燃烧转矩，TL为负荷转矩。(TC－TL)为惯性转矩。此外，I为惯性力矩，t为时间。
[数式5]
Figure BDA0003735042000000171
像根据式(5)而明确的那样，旋转加速度dω/dt与燃烧转矩TC处于比例关系，当燃烧转矩TC发生变化时，旋转加速度dω/dt随之发生变化。例如，当燃烧相位推迟时，燃烧转矩的产生时刻推迟，与之同步地，旋转加速度dω/dt成为最大的时刻推迟。因而，旋转加速度dω/dt的最大时刻与燃烧相位表现出正相关。
另一方面，在负荷转矩TL的变化小的情况下，燃烧转矩TC的时间变化大致呈正弦波状。其原因在于，决定燃烧转矩的大小的曲柄的臂的长度随着曲柄的旋转而呈正弦波状变化。在旋转加速度呈正弦波状的情况下，通过旋转加速度的积分求出的转速也呈正弦波状，旋转加速度的时间变化波形与转速的时间变化波形保持一定的相位差。因而，旋转加速度的最大时刻与转速的最大时刻的相位差也固定，燃烧相位不仅相对于旋转加速度的最大时刻而具有正相关，相对于转速的最大时刻也具有正相关。
[最大速度时刻与燃烧相位之间产生负相关的原因]
接着，使用图15和图16，对燃烧相位相较于压缩上止点附近而言处于提前侧的情况下发动机转速的最大速度时刻(局部曲柄角θmax)与燃烧相位之间产生负相关的原因进行说明。
图15展示压缩上止点前后的曲柄转矩(燃烧转矩)的变化。图16展示了与图15所示的曲柄转矩变化相对应的曲柄转速(发动机转速)的变化。图15及图16中，实线表示燃烧相位(例如成为MFB50的曲柄角)处于正相关区域的情况，虚线表示燃烧相位处于负相关区域的情况。当燃烧相位提前到上止点附近时，压缩行程中的燃烧比例增加，所以如朝下的箭头所示，压缩行程中的负转矩增大(图15(1))。
发动机1的控制器12为了将循环整体内的平均转矩保持固定，以填补负转矩的方式进行使正转矩(箭头部分)增加的控制(图15(2))。更具体而言，内燃机控制部122e例如进行如下控制：增大节气门20的开度来增加吸入空气量，而且增加燃料喷射阀18的燃料喷射量。正转矩增加使得膨胀行程中燃烧转矩变为0的位置像箭头所示那样朝推迟侧移动(图15(3))。
发动机转速成为极值的位置与曲柄转矩变为0的位置一致，所以转速的最大速度时刻(局部曲柄角θmax)也像箭头所示那样朝推迟侧移动(图16(4))。即，在燃烧相位相较于上止点附近而言提前而使得压缩行程中产生了大的负转矩的情况下，其后正转矩增大而使得转速的极值时刻朝推迟方向移动，两者便具有负相关。
再者，在负相关区域内，大的负转矩的产生使得发动机1(内燃机)的热效率降低。因而，通常是以发动机1在正相关区域内运转的方式控制发动机1的各执行器。但在加减速等过渡状态等之下，发动机1的运转点(运转状态参数)有可能暂时落入负相关区域。在该情况下，为了恰当地推定燃烧相位、进行热效率高的运转，也需要判定发动机1的运转点处于正负哪一相关区域而根据该判定结果来切换求燃烧相位的校正曲线的使用范围。
[燃烧相位算出单元选择部]
接着，使用图17～图25，对控制器12的燃烧相位算出单元选择部122c选择燃烧相位算出单元的第1选择方法进行说明。
(第1例)
首先，对第1选择方法的第1例进行说明。
图17展示基于火花塞17的点火时间的内燃机状态推定图的例子。该内燃机状态推定图(相关特性图的例子)是在点火时间的轴上分配正相关区域和负相关区域而成的图谱(一维图谱信息)。
当使火花塞17的点火时间推迟时，燃烧开始时间推迟，所以燃烧相位推迟。另一方面，当使点火时间提前时，燃烧开始时间提前，燃烧相位提前。因而，本图谱中，对点火时间比预先定下的阈值晚的区域分配正相关区域，对点火时间比预先定下的阈值早的区域分配负相关区域。
预先通过燃烧实验或校准等来制作本图谱并存储在存储部123等中。继而，燃烧相位算出单元选择部122c在发动机1的运转时参考本图谱，由此判定当前的发动机1的运转点(图谱上的任意点)处于正相关区域和负相关区域中的哪一区域。在通过图谱参考而判定为正相关区域的情况下，燃烧相位算出单元选择部122c以使用校正曲线的正相关区域的方式将指令值交给燃烧相位算出部122d。另一方面，在通过图谱参考而判定为负相关区域的情况下，燃烧相位算出单元选择部122c以使用校正曲线的负相关区域的方式将指令值交给燃烧相位算出部122d。
再者，也可按每一汽缸将汽缸间共通的基本内燃机状态推定图和距该基本内燃机状态推定图的任意运转点的补偿值(也称为图谱修正值)存储在存储部123中。于是，可利用基本内燃机状态推定图和每一汽缸的补偿值来求各汽缸的内燃机状态推定图。
(第2例)
接着，对第1选择方法的第2例进行说明。
图18展示基于火花塞17的点火时间和废气再循环率(EGR率)的内燃机状态推定图的例子。该内燃机状态推定图(相关特性图的例子)是在一个轴为点火时间、另一个轴为EGR率的平面上分配正相关区域和负相关区域而成的图谱(二维图谱信息)。
当使火花塞17的点火时间推迟或者提高EGR率(减少混合气内的氧浓度)时，燃烧开始时间或燃烧速度变慢，所以燃烧相位推迟。另一方面，当使点火时间提前或者降低EGR率(增加混合气内的氧浓度)时，燃烧开始时间或燃烧速度变快，燃烧相位提前。因而，本图谱中，对点火时间晚、EGR率高的右斜上(交界线的上侧)的区域分配正相关区域，对点火时间早、EGR率低的左斜下(交界线的下侧)的区域分配负相关区域。
再者，也可使用EGR阀的开度代替EGR率。通常而言，EGR阀开度与EGR率存在相关，当EGR阀的开度增大时，EGR率升高。
进而，EGR率除了根据EGR阀开度而变化以外，还根据节气门开度而变化。因此，如图19所示，也能以图谱的形式预先准备好对应于EGR阀开度和节气门开度的EGR率(多个等EGR率线)，根据当前的EGR阀开度和节气门开度而参考EGR率图来推定当前的EGR率。预先制作EGR率图并存储在存储部123等非易失性存储器中。在由EGR阀开度和节气门开度指定的运转点位于2个等EGR率线之间的情况下，可通过近似(内插)来推定当前的EGR率。
预先通过燃烧实验或校准等来制作上述的内燃机状态推定图并存储在存储部123等中。继而，燃烧相位算出单元选择部122c在发动机1的运转时参考本图谱，由此判定当前的发动机1的运转点(图谱上的任意点)处于正相关区域和负相关区域中的哪一区域。在通过图谱参考而判定为正相关区域的情况下，燃烧相位算出单元选择部122c以使用校正曲线的正相关区域的方式将指令值交给燃烧相位算出部122d。另一方面，在通过图谱参考而判定为负相关区域的情况下，燃烧相位算出单元选择部122c以使用校正曲线的负相关区域的方式将指令值交给燃烧相位算出部122d。
再者，也可按每一汽缸将汽缸间共通的基本内燃机状态推定图和距该基本内燃机状态推定图的任意运转点的补偿值(也称为图谱修正值)存储在存储部123中。于是，可利用基本内燃机状态推定图和每一汽缸的补偿值来求各汽缸的内燃机状态推定图。
(第3例)
接着，对第1选择方法的第3例进行说明。
内燃机状态推定图也可为像图20所示那样在一个轴为点火时间、另一个轴为空燃比的平面上分配正相关区域和负相关区域而成的图谱。根据空燃比传感器27的输出信号来获得废气的空燃比。当空燃比增大时，燃烧速度变慢，所以与EGR率升高的情况一样，燃烧相位推迟。
(第4例)
进而，对第1选择方法的第4例进行说明。
此外，内燃机状态推定图也可为像图21所示那样在一个轴为点火时间、另一个轴为气门重叠量的平面上分配正相关区域和负相关区域而成的图谱。气门重叠的定义示于图22及图23。图22及图23中，横轴表示曲柄角，纵轴表示进气门及排气门的升程。
图22展示了在排气上止点附近进气门和排气门同时打开的所谓的正重叠的情况。在正重叠的情况下，将进气门和排气门同时打开的期间定义为重叠期间。在正重叠的情况下，流入至汽缸内的EGR气体增加，所以EGR率增加。
图23展示了在排气上止点附近进气门和排气门同时关闭的所谓的负重叠的情况。在负重叠的情况下，将进气门和排气门同时关闭的期间定义为重叠期间。在负重叠的情况下，汽缸内燃烧后的气体(残留气体)不减少，所以EGR率增加。
在正重叠的情况和负重叠的情况下，气门重叠量均增加，这时，内燃机的缸内的EGR率增加。因而，在图21的内燃机状态推定图中，在点火时间晚、气门重叠量大的一侧分配正相关区域，在点火时间早、气门重叠量小的一侧分配负相关区域。
再者，气门重叠量由可变气门机构加以调整，所述可变气门机构可以通过液压或电动等来变更进气门及/或排气门的相位角。
(第5例)
能在内燃机的运转中变更压缩比的可变压缩比发动机为人所知。在可变压缩比发动机中，如图24所示，例如通过利用偏心凸轮41的可变压缩比机构40，在运转中也能上下变更活塞14的上止点位置。通过调整偏心凸轮41的旋转位置而将活塞14的上止点位置设定得较高，活塞上止点上的汽缸13的燃烧室容积(间隙容积)减小，压缩比升高。此外，通过将活塞14的上止点位置设定得较低，活塞上止点上的汽缸13的燃烧室的容积(间隙容积)增大，压缩比降低。
在这样的可变压缩比发动机中，内燃机状态推定图可为像图25所示那样在一个轴为点火时间、另一个轴为活塞14的上止点位置的平面上分配正相关区域和负相关区域而成的图谱。当降低活塞14的上止点位置时，点火时间附近的未燃气体温度降低，所以燃烧速度变慢。此外，当降低活塞14的上止点位置时，缸内的残留气体量增加，所以EGR率升高，因此燃烧相位推迟，成为正相关区域。
当升高活塞14的上止点位置时，点火时间附近的未燃气体温度升高，所以燃烧速度变快。此外，当升高活塞14的上止点位置时，缸内的残留气体量减少，所以EGR率降低，因此燃烧相位提前，成为负相关区域。
进而，内燃机状态推定图也可为在由点火时间和EGR率(EGR阀开度)、气门重叠量以及活塞的上止点位置中的任何两个以上形成的多维空间内分配正相关区域和负相关区域而成的图谱。即，内燃机状态推定图可以设为在由至少包含点火时间的三维以上的信息构成的空间内分配正相关区域和负相关区域而成的图谱。此外，除了上述参数以外，例如还可以使用以气温、湿度、内燃机的转速、负荷(转矩)、燃料喷射正时以及燃料性状(例如压力、浓度、粘性)等对燃烧的相位产生影响的参数为参考轴的内燃机状态推定图来判定正相关区域或负相关区域。
如上所述，第1实施方式的内燃机控制装置(控制器12)具备：转速算出部(转速算出部122a)，其算出内燃机(发动机1)的曲柄转速(ω)；极值时刻算出部(极值时刻算出部122b)，其算出由该转速算出部算出的曲柄转速成为极值的极值时刻(θmax)；燃烧状态算出单元选择部(燃烧相位算出单元选择部122c)，其根据内燃机的运转状态(运转状态参数)来选择算出燃烧室内的燃烧状态(例如MFB50的燃烧相位)的燃烧状态算出单元(校正曲线f1、f2)；以及燃烧状态推定部(燃烧相位算出部122d)，其使用由该燃烧状态算出单元选择部选择的燃烧状态算出单元，根据曲柄转速的极值时刻来推定燃烧室内的燃烧状态。
此外，本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)具备内燃机控制部(内燃机控制部122e)，所述内燃机控制部(内燃机控制部122e)根据由燃烧状态推定部(燃烧相位算出部122d)推定出的燃烧室内的燃烧状态来控制内燃机。
根据上述构成的本实施方式，即便在燃烧室内的燃烧状态大幅变化的情况(例如燃烧相位大幅提前或推迟的情况)下，也能使用从多个燃烧状态算出单元而根据内燃机的运转状态选择的燃烧状态算出单元来高精度地推定燃烧室内的燃烧状态。
于是，燃烧室内的燃烧状态的推定精度提高，所以即便在燃烧室内的燃烧状态大幅变化的情况下也能根据燃烧状态的推定结果来控制内燃机。
此外，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，燃烧状态算出单元选择部(燃烧相位算出单元选择部122c)构成为使用运转状态推定图来选择燃烧状态算出单元(校正曲线f1、f2)，所述运转状态推定图分配有表示内燃机(发动机1)的运转状态的1个以上的参数。
具体而言，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，运转状态推定图是至少参考点火时间的图谱(参考图17)。
此外，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，运转状态推定图是至少参考点火时间和EGR率或者点火时间和EGR阀开度的图谱(参考图18)。
此外，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，运转状态推定图是至少参考点火时间和进气的空燃比的图谱(参考图20)。
此外，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，运转状态推定图是至少参考点火时间和进气门及排气门的气门重叠量(正重叠时或负重叠时)的图谱(参考图21)。
此外，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，运转状态推定图是至少参考点火时间和活塞上止点的高度的图谱(参考图25)。
〈第2实施方式〉
接着，作为本发明的第2实施方式，使用图26～图29对控制器12的燃烧相位算出单元选择部122c选择燃烧相位算出单元的第2选择方法进行说明。
(第1例)
图26的上侧针对压缩上止点(θ＝0°)前后的曲柄转速ω及其微分值dω/dθ而展示了燃烧相位处于正相关区域的情况与燃烧相位处于负相关区域的情况下的差异。此外，图26的下侧展示了图26的上侧所示的转速ω的微分值dω/dθ。在图26的上侧及下侧，实线及短虚线表示正相关区域，长虚线表示正相关区域。
如图26的上侧所示，在负相关区域内，压缩行程(0°之前)中的负转矩的产生使得压缩上止点附近的转速ω的降低较大。因而，在负相关区域内，膨胀行程(0°之后)的转速ω的极大值与压缩上止点附近的转速ω的极小值的差Δω(变动幅度)比正相关区域的Δω大。
因此，燃烧相位算出单元选择部122c计算转速ω的变动幅度Δω，并将该变动幅度Δω与预先定下的阈值进行比较。如图27所示，燃烧相位算出单元选择部122c可以在转速ω的变动幅度Δω小于阈值的情况下判定燃烧相位处于正相关区域、在转速ω的变动幅度Δω为阈值以上的情况下判定燃烧相位处于负相关区域。
(第2例)
此外，如图26的下侧所示，在负相关区域内，转速ω的变动幅度Δω的增加使得转速ω的微分值dω/dθ的极大值比正相关区域内的转速ω的微分值dω/dθ的极大值大。
进而，如图26的上侧所示，在负相关区域内，压缩行程中的负转矩的产生使得压缩上止点附近的转速变化产生拐点In。因而，如图26的下侧所示，在负相关区域内，压缩上止点附近的转速ω的微分值dω/dθ的极小值的绝对值比正相关区域的微分值dω/dθ的极小值的绝对值大。
因此，燃烧相位算出单元选择部122c计算转速ω的微分值dω/dθ的极大值，并将该微分值dω/dθ的极大值与预先定下的阈值进行比较。如图28所示，燃烧相位算出单元选择部122c可以在转速ω的微分值dω/dθ的极大值小于阈值的情况下判定燃烧相位处于正相关区域、在转速ω的微分值dω/dθ的极大值为阈值以上的情况下判定燃烧相位处于负相关区域(第2例(1))。
此外，燃烧相位算出单元选择部122c计算转速ω的微分值dω/dθ的极小值的绝对值|dω/dθ|，并将该微分值dω/dθ的极小值的绝对值|dω/dθ|与预先定下的阈值进行比较。如图29所示，燃烧相位算出单元选择部122c可以在转速ω的微分值dω/dθ的极小值的绝对值|dω/dθ|小于阈值的情况下判定燃烧相位处于正相关区域。此外，燃烧相位算出单元选择部122c可以在转速ω的微分值dω/dθ的极小值的绝对值|dω/dθ|为阈值以上的情况下判定燃烧相位处于负相关区域(第2例(2))。
再者，这些阈值根据内燃机的运转状态而变更，由此，能更高精度地判定正相关区域和负相关区域。例如，在高转矩、低转速、高压缩比或者高气温的条件下运转内燃机的情况下，循环内的转速ω的变动大。因此，越是高转矩、低转速、高压缩比或者高气温，较理想为越是进一步提高针对转速ω的变动幅度Δω的阈值或者针对转速ω的微分值dω/dθ的极小值或极大值的绝对值的阈值。宜预先通过燃烧实验或校准等来求出这些条件下的恰当的阈值并存储在存储部123等中。
如上所述，在第2实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，燃烧状态算出单元选择部(燃烧相位算出单元选择部122c)构成为根据压缩上止点前后的曲柄转速(ω)的变动幅度(Δω)的大小来选择燃烧状态算出单元(校正曲线f1、f2)。
此外，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，燃烧状态算出单元选择部(燃烧相位算出单元选择部122c)构成为根据与压缩上止点相距规定范围内的曲柄转速(ω)的微分值的极小值或极大值的大小(|dω/dθ|)来选择燃烧状态算出单元(校正曲线f1、f2)。
〈第3实施方式〉
接着，作为本发明的第3实施方式，使用图30～图34对控制器12的燃烧相位算出单元选择部122c选择燃烧相位算出单元的第3选择方法进行说明。
(第1例)
图30针对压缩上止点(θ＝0°)前后的汽缸内的压力而展示了燃烧相位处于正相关区域的情况和燃烧相位处于负相关区域的情况下的差异。图30是已燃质量分数(MFB)为50％时的汽缸内的压力特性的一例。汽缸内的压力是根据汽缸内设置的未图示的压力传感器的输出信号来获得。
在负相关区域(虚线)内，燃烧相位(MFB50的位置)提前，所以压缩行程(0°之前)中产生的燃烧热使得压缩上止点附近的缸内压力的最大值比正相关区域(实线)的缸内压力的最大值高。因此，燃烧相位算出单元选择部122c可以根据缸内压力的最大值来判定正相关区域和负相关区域。例如，可以预先设定好阈值，在缸内压力的最大值小于阈值的情况下判定燃烧相位处于正相关区域，在缸内压力的最大值为阈值以上的情况下判定燃烧相位处于负相关区域。
(第2例)
图31展示点火时间附近的点火一次线圈电压的时间变化的一例。发动机1具有根据控制器12的控制信号而从电池流通一次电流的一次线圈和连接于火花塞17的电极的二次线圈。当一次线圈产生磁通变化时，通过自感应产生一次电压(点火一次线圈电压)，进而通过互感应在二次线圈中产生与匝数比相应的较高的二次电压。继而，二次电压施加至火花塞17的电极，由电极产生火花放电。
点火一次线圈电压在点火正时ti(点火时间)从规定电压值骤升，在成为最大值Vmax后骤减，其后逐渐向点火正时ti下的规定电压值靠近。点火放电期间T是点火一次线圈的电压在点火正时ti后上升并减少到规定电压值为止的期间。此外，点火一次线圈的电压是以点火一次线圈电压的最大值Vmax或者点火放电期间T的点火一次线圈电压的平均值来表示。
火花塞17的点火放电期间T对缸内压力有依存性，放电中的缸内压力越高，点火放电期间便越短。此外，让火花塞17进行火花放电用的点火一次线圈电压对缸内压力有依存性，放电中的缸内压力越高，点火一次线圈的电压便越高。
因而，如图32所示，燃烧相位算出单元选择部122c可以在点火放电期间T比预先定下的阈值短的情况下判定燃烧相位处于负相关区域、在点火放电期间T为预先定下的阈值以上的情况下判定燃烧相位处于正相关区域。
(第3例)
此外，如图33所示，燃烧相位算出单元选择部122c可以在点火一次线圈的电压比预先定下的阈值低的情况下判定燃烧相位处于正相关区域、在点火一次线圈的电压为预先定下的阈值以上的情况下判定燃烧相位处于负相关区域。
再者，通过根据发动机1的运转状态来变更针对点火放电期间T和点火一次线圈的电压的阈值，能够更高精度地判定正相关区域和负相关区域。例如，当发动机负荷(转矩)、进气压或者进气温度升高时，缸内压力的最大值进一步升高。因此，如图34所示，较理想为根据发动机负荷(转矩)、进气压或者进气温度来变更针对点火放电期间T的阈值和针对点火一次线圈电压的阈值。例如，发动机负荷(转矩)、进气压或者进气温度越高，便越是减小点火放电期间的阈值、增大点火一次线圈的电压的阈值。进气压及进气温度是根据设置于进气端口21的未图示的压力传感器及温度传感器的输出信号来获得。
如上所述，在第3实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，燃烧状态算出单元选择部(燃烧相位算出单元选择部122c)构成为根据汽缸内的压力的最大值来选择燃烧状态算出单元(校正曲线f1、f2)。
此外，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，燃烧状态算出单元选择部(燃烧相位算出单元选择部122c)构成为根据点火放电期间的长度来选择燃烧状态算出单元(校正曲线f1、f2)。
此外，在本实施方式的内燃机控制装置(控制器12)中，燃烧状态算出单元选择部(燃烧相位算出单元选择部122c)构成为根据点火线圈电压的大小来选择燃烧状态算出单元(校正曲线f1、f2)。
〈发明的效果〉
根据本发明的第1实施方式～第3实施方式，可以跨及内燃机的广阔运转范围(例如几个循环)地使用曲柄转速的信息来高精度地推定燃烧状态(燃烧相位)。由此，即便在内燃机的负荷(转矩)、转速在短期间内发生变化的过渡运转状态下，也能实现基于推定出的燃烧相位的内燃机的控制。例如，以燃烧相位变为合理值的方式由内燃机控制部122e控制点火时间、燃料喷射正时、可变气门机构下的进气门及/或排气门的开闭时刻、可变压缩比机构下的压缩比、节气门开度、EGR阀开度、以及增压器(未图示)的废气闸阀开度等。
此外，在混合动力汽车中搭载的发电机用发动机中，例如以燃烧相位变为合理值的方式由内燃机控制部122e对发电机的励磁电流等也进行控制。由此，能够改善过渡运转时的油耗，减少烟灰、未燃烃、NOx、CO等排放物的排出量。
〈其他〉
进而，本发明不限于上述各实施方式，只要不脱离权利要求书中记载的本发明的主旨，当然可以采取其他各种应用例、变形例。
例如，上述各实施方式是为了以易于理解的方式说明本发明而对控制器12的构成进行的详细且具体的说明，并非一定限定于具备说明过的所有构成要素。此外，可以将某一实施方式的构成的一部分替换为其他实施方式的构成要素。此外，也可以对某一实施方式的构成加入其他实施方式的构成要素。此外，也可以对各实施方式的构成的一部分进行其他构成要素的追加或者替换、删除。
此外，上述各构成、功能、处理部等可通过例如由集成电路设计等而以硬件来实现它们的一部分或全部。作为硬件，可使用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)等。
符号说明
1…发动机
10…爆震传感器
11…曲柄角传感器
12…控制器
17…火花塞
20…节气门
26…正时转子
28…EGR管
29…EGR阀
30…曲柄
121…输入输出部
122…控制部
122a…转速算出部
122b…极值时刻算出部
122c…燃烧相位算出单元选择部
122d…燃烧相位算出部
122e…内燃机控制部
123…存储部
f1、f2…校正曲线。

Claims (16)

1.一种内燃机控制装置，其特征在于，具备：
转速算出部，其算出内燃机的曲柄转速；
极值时刻算出部，其算出由所述转速算出部算出的所述曲柄转速成为极值的极值时刻；
燃烧状态算出单元选择部，其根据所述内燃机的运转状态来选择算出燃烧室内的燃烧状态的燃烧状态算出单元；以及
燃烧状态推定部，其使用由所述燃烧状态算出单元选择部选择的所述燃烧状态算出单元，根据所述曲柄转速的所述极值时刻来推定所述燃烧室内的燃烧状态。
2.根据权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述燃烧状态算出单元选择部使用运转状态推定图来选择所述燃烧状态算出单元，所述运转状态推定图分配有表示所述内燃机的运转状态的1个以上的参数。
3.根据权利要求2所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述运转状态推定图是至少参考点火时间的图谱。
4.根据权利要求2所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述运转状态推定图是至少参考点火时间和EGR率或者点火时间和EGR阀开度的图谱。
5.根据权利要求2所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述运转状态推定图是至少参考点火时间和进气的空燃比的图谱。
6.根据权利要求2所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述运转状态推定图是至少参考点火时间和进气门及排气门的气门重叠量的图谱。
7.根据权利要求2所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述运转状态推定图是至少参考点火时间和活塞上止点的高度的图谱。
8.根据权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述燃烧状态算出单元选择部根据压缩上止点前后的所述曲柄转速的变动幅度的大小来选择所述燃烧状态算出单元。
9.根据权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述燃烧状态算出单元选择部根据与压缩上止点相距规定范围内的所述曲柄转速的微分值的极小值或极大值的大小来选择所述燃烧状态算出单元。
10.根据权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述燃烧状态算出单元选择部根据汽缸内的压力的最大值来选择所述燃烧状态算出单元。
11.根据权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述燃烧状态算出单元选择部根据点火放电期间的长度来选择所述燃烧状态算出单元。
12.根据权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述燃烧状态算出单元选择部根据点火线圈电压的大小来选择所述燃烧状态算出单元。
13.根据权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述极值时刻算出部以将相当于各汽缸的压缩上止点的曲柄角包含在内的方式以所述内燃机的汽缸数来分割所述曲柄转速的时间序列值的一循环的期间，将分割期间的所述曲柄转速的时间序列值分配为相应汽缸中的曲柄转速的时间序列值，将分配给各汽缸的所述曲柄转速的时间序列值的时间序列数据转换为以相当于各汽缸的压缩上止点的曲柄角为基准的时间序列数据，在针对每一汽缸进行了所述时间序列数据的转换后，根据分配给各汽缸的所述曲柄转速的时间序列值来算出每一汽缸的曲柄转速的极值时刻。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述燃烧状态算出单元是表示所述燃烧状态的燃烧相位与所述曲柄转速的极值时刻表现出正相关的第1相关特性和表示所述燃烧状态的燃烧相位与所述曲柄转速的极值时刻表现出负相关的第2相关特性。
15.根据权利要求14所述的内燃机控制装置，其特征在于，
所述燃烧状态算出单元是针对所述内燃机所具有的多个汽缸中的每一汽缸设定的、基于所述第1相关特性及所述第2相关特性的相关特性式或参考表，
所述燃烧状态算出单元选择部对应于算出所述燃烧状态的汽缸来切换或修正所述相关特性式或所述参考表。
16.根据权利要求1所述的内燃机控制装置，其特征在于，
具备内燃机控制部，所述内燃机控制部根据由所述燃烧状态推定部推定出的所述燃烧室内的燃烧状态来控制所述内燃机。
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