JP2004092603A

JP2004092603A - 内燃機関の燃焼状態推定装置

Info

Publication number: JP2004092603A
Application number: JP2002258134A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ueda; 上田　広一
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】燃焼状態に関係する情報以外の影響を最小限に抑えて、内燃機関の燃焼状態を高い精度で推定する。
【解決手段】内燃機関の燃焼状態を推定する装置であって、クランク角加速度を算出する角加速度算出手段と、往復慣性質量による慣性トルクの平均値が０となるクランク角の区間（ＴＤＣ〜ＢＤＣ）におけるクランク角加速度に基づいて内燃機関の燃焼状態を推定する燃焼状態推定手段とを備える。往復慣性質量による慣性トルクが角加速度に与える影響を排除できるため、角加速度に基づいて燃焼状態を正確に推定できる。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関の燃焼状態推定装置に関し、クランクの回転に関わるパラメータから燃焼状態を推定する装置に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の運転状態を検出するため、機関運転時の回転数、角速度、角加速度などを検出する方法が用いられている。例えば、特開平９−３０３２４３号公報には、燃焼行程内の予め決められた２ヶ所から角加速度を検出し、角加速度の全気筒平均値と気筒別平均値との偏差量に基づいて燃焼状態が最適になるように機関のパラメータを調整する方法が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機関外部で検出した角加速度は、燃焼状態に起因する情報の他に、駆動部の慣性質量、フリクションなどの様々な情報を含んでいる。このため、角加速度と燃焼状態は必ずしも一致せず、角加速度から燃焼状態を推定した場合、その推定には誤差が含まれることがある。
【０００４】
また、同公報に記載された方法では、角加速度の全気筒平均値と気筒別平均値との偏差量に基づいて角加速度を相対的に評価するため、平均値、偏差量を算出するための処理が複雑となる。また、このような相対的評価によって燃焼状態が測定できるのは定常運転時に限られ、運転条件が変動する度に判定のための異なるしきい値を使用するなど、煩雑な処理が必要となる。このため、上記従来の方法では、様々な運転条件に対応させて燃焼状態を推定することはできず、実際の車両運転時を想定して燃焼状態を任意のタイミングで推定することは困難である。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃焼状態に関係する情報以外の影響を最小限に抑えて、内燃機関の燃焼状態を高い精度で推定することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の燃焼状態を推定する装置であって、クランク角加速度を算出する角加速度算出手段と、往復慣性質量による慣性トルクの平均値がほぼ０となるクランク角の区間におけるクランク角加速度に基づいて内燃機関の燃焼状態を推定する燃焼状態推定手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、上記の目的を達成するため、請求項１記載の内燃機関の燃焼状態推定装置であって、前記クランク角加速度の前記区間における平均値を求める角加速度平均値算出手段を備え、前記燃焼状態推定手段は、前記平均値に基づいて内燃機関の燃焼状態を推定することを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、上記の目的を達成するため、請求項２記載の内燃機関の燃焼状態推定装置であって、前記区間の両端でのクランク角速度を検出する角速度検出手段を備え、前記角加速度平均値算出手段は、クランク軸が前記区間を回転する際の所要時間と、前記区間の両端でのクランク角速度とから前記平均値を算出することを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、上記の目的を達成するため、請求項１記載の内燃機関の燃焼状態推定装置であって、前記区間におけるクランク角加速度と駆動部の慣性モーメントとに基づいて、前記クランク角加速度に起因して発生する動的な損失トルクを求める損失トルク算出手段を備え、前記燃焼状態推定手段は、前記動的な損失トルクに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定することを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、上記の目的を達成するため、請求項４記載の内燃機関の燃焼状態推定装置であって、前記動的な損失トルクの前記区間における平均値を求める損失トルク平均値算出手段を備え、前記燃焼状態推定手段は、動的な損失トルクに関する前記平均値に基づいて内燃機関の燃焼状態を推定することを特徴とする。
【００１１】
請求項６記載の発明は、上記の目的を達成するため、請求項４記載の内燃機関の燃焼状態推定装置であって、前記区間における駆動部のフリクショントルクを求めるフリクショントルク算出手段を備え、前記燃焼状態推定手段は、前記動的な損失トルクと、前記フリクショントルクとに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定することを特徴とする。
【００１２】
請求項７記載の発明は、上記の目的を達成するため、請求項５記載の内燃機関の燃焼状態推定装置であって、前記区間における駆動部のフリクショントルクを求めるフリクショントルク算出手段と、前記フリクショントルクの前記区間における平均値を求めるフリクショントルク平均値算出手段とを備え、前記燃焼状態推定手段は、動的な損失トルクに関する前記平均値とフリクショントルクに関する前記平均値とに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定することを特徴とする。
【００１３】
請求項８記載の発明は、上記の目的を達成するため、請求項７記載の内燃機関の燃焼状態推定装置であって、前記フリクショントルク平均値算出手段は、前記区間における内燃機関の機関回転数の平均値と前記区間における冷却水温の平均値とに基づいてフリクショントルクに関する前記平均値を求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項９記載の発明は、上記の目的を達成するため、請求項６〜８のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態推定装置であって、前記フリクショントルクは補機類のフリクショントルクを含むことを特徴とする。
【００１５】
請求項１０記載の発明は、上記の目的を達成するため、請求項５、７及び８のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態推定装置であって、前記クランク角加速度の前記区間における平均値を求める角加速度平均値算出手段を備え、前記損失トルク平均値算出手段は、クランク角加速度に関する前記平均値と駆動部の慣性モーメントとに基づいて損失トルクに関する前記平均値を求めることを特徴とする。
【００１６】
請求項１１記載の発明は、上記の目的を達成するため、請求項１０記載の内燃機関の燃焼状態推定装置であって、前記区間の両端でのクランク角速度を検出する角速度検出手段を備え、前記角加速度平均値算出手段は、クランク軸が前記区間を回転する際の所要時間と、前記区間の両端でのクランク角速度とからクランク角加速度に関する前記平均値を算出することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の燃焼状態推定装置及びその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組みつけられている。また、排気通路１４には排気浄化触媒３２が配置されている。
【００１９】
エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。
【００２０】
スロットルバルブ２２の下流には、サージタンク２８が設けられている。また、サージタンク２８の更に下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０が配置されている。
【００２１】
内燃機関１０の各気筒はピストン３４を備えている。ピストン３４には、その往復運動によって回転駆動されるクランク軸３６が連結されている。車両駆動系と補機類（エアコンのコンプレッサ、オルタネータ、トルクコンバータ、パワーステアリングのポンプ等）は、このクランク軸３６の回転トルクによって駆動される。クランク軸３６の近傍には、クランク軸３６の回転角を検出するためのクランク角センサ３８が取り付けられている。また、エンジン１０のシリンダブロックには、冷却水温を検出する水温センサ４２が取り付けられている。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態の燃焼状態推定装置はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０に加えて、車速ＳＰＤを検出する車速センサ４４などが接続されている。
【００２３】
次に、図１のシステムにより内燃機関１０の燃焼状態を推定する方法を具体的に説明する。最初に、燃焼状態の推定に用いる数式について説明する。本実施形態では、以下の（１）式、（２）式を用いて燃焼状態の推定を行う。
【００２４】
【数１】

【００２５】
（１）式、（２）式において、図示トルクＴ_ｉは、エンジンの燃焼によってクランク軸３６に発生するトルクである。ここで、（２）式の右辺は図示トルクＴ_ｉを発生させるトルクを示しており、（１）式の右辺は図示トルクＴ_ｉを消費するトルクを示している。
【００２６】
（１）式の右辺において、Ｊは混合気の燃焼等によって駆動される駆動部材の慣性モーメント、ｄω／ｄｔはクランク軸３６の角加速度、Ｔ_ｆは駆動部のフリクショントルク、Ｔ_ｌは走行時に路面から受ける負荷トルク、を示している。ここで、Ｊ×（ｄω／ｄｔ）はクランク軸３６の角加速度に起因する動的な損失トルク（＝Ｔ_ａｃ）である。フリクショントルクＴ_ｆは、ピストン３４とシリンダ内壁の摩擦など各嵌合部の機械的な摩擦によるトルクであって、補機類の機械的な摩擦によるトルクを含むものである。負荷トルクＴ_ｌは、走行時の路面状態などの外乱によるトルクである。本実施形態では、シフトギヤをニュートラルの状態にして燃焼状態を推定するため、以下の説明ではＴ_ｌ＝０とする。
【００２７】
また、（２）式の右辺において、Ｔ_ｇａｓはシリンダの筒内ガス圧によるトルク、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}はピストン３４などの往復慣性質量による慣性トルクを示している。筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓは、シリンダ内の混合気の燃焼によって発生するトルクである。燃焼状態を正確に推定するためには、筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓを求める必要がある。
【００２８】
（１）式に示されるように、図示トルクＴ_ｉは、角加速度に起因する動的な損失トルクＪ×（ｄω／ｄｔ）、フリクショントルクＴ_ｆ、及び負荷トルクＴ_ｌの和として求めることができる。しかし、（２）式に示されるように、図示トルクＴ_ｉと筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓは一致しないため、図示トルクＴ_ｉから燃焼状態を正確に推定することはできない。
【００２９】
図２は、（２）式の各トルクとクランク角との関係を示す特性図である。図２において、縦軸は各トルクの大きさを、横軸はクランク角を示しており、図２中の一点鎖線は図示トルクＴ_ｉを、実線は筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓを、破線は往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}をそれぞれ示している。ここで、図２は４気筒の場合の特性を示したものであり、図２中のＴＤＣ、ＢＤＣは、４気筒のうちの１気筒のピストン３４が上死点（ＴＤＣ）、または下死点（ＢＤＣ）の位置にある場合のクランク角（０°，１８０°）を示している。内燃機関１０が４気筒の場合、クランク軸３６が１８０°回転する度に１気筒づつ爆発行程が行われ、１回の爆発毎に図２中のＴＤＣからＢＤＣまでのトルク特性が繰り返し現れる。
【００３０】
図２中の実線に示すように、筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓは、ＴＤＣからＢＤＣの間で急激に増加し、減少する。ここで、Ｔ_ｇａｓの急激な増加は、爆発工程で燃焼室内の混合気が爆発するためである。爆発後、Ｔ_ｇａｓは減少し、他の圧縮行程あるいは排気行程にある気筒の影響により、負の値を取る。そのクランク角がＢＤＣに達するとシリンダの容積変化が０となり、これによってＴ_ｇａｓは０の値を取る。
【００３１】
一方、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}は、筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓとはほとんどあるいは無視できるほど無関係に、ピストン３４など往復運動する部材の慣性質量によって発生する慣性トルクである。往復運動する部材は加減速を繰り返しており、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}はクランクが回転していれば角速度一定の場合であっても常に発生する。図２中の破線に示すように、クランク角がＴＤＣの位置では往復運動する部材は停止しており、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}＝０である。クランク角がＴＤＣからＢＤＣに向かって進むと、往復運動する部材が停止状態から運動し始める。この際、これらの部材の慣性によってＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}は負の方向に増加する。クランク角が９０°近傍に達した時点では、往復運動する部材が所定の速度で運動しているため、これらの部材の慣性によってクランク軸３６が回転する。従って、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}はＴＤＣとＢＤＣの間で負の値から正の値へ変わる。その後、クランク角がＢＤＣまで到達すると往復運動する部材は停止し、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}＝０となる。
【００３２】
（２）式に示されるように、図示トルクＴ_ｉは筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓと往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の和である。このため、図２の一点鎖線に示されるように、ＴＤＣとＢＤＣの間では、図示トルクＴ_ｉは混合気の爆発によるＴ_ｇａｓの増加によって増加し、一旦減少した後、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}によって再び増加するという複雑な挙動を示している。
【００３３】
しかし、ＴＤＣからＢＤＣまでのクランク角１８０°の区間に着目すると、この区間での往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値は０となる。これは、往復慣性質量を有する部材が、クランク角０°〜９０°近傍とクランク角９０°近傍〜１８０°で反対の動きをするためである。従って、（１）式および（２）式の各トルクをＴＤＣからＢＤＣまでの平均値として算出すると、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}＝０として計算することができる。これにより、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}が図示トルクＴ_ｉに与える影響を排除することができ、正確な燃焼状態を簡単に推定することが可能となる。
【００３４】
そして、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間において各トルクの平均値を求めると、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となるため、（２）式から、図示トルクＴ_ｉの平均値と筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓの平均値とが等しくなる。このため、図示トルクＴ_ｉに基づいて正確に燃焼状態を推定することができる。
【００３５】
更に、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間でクランク軸３６の角加速度の平均値を求めると、この区間でのＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値は０であるため、往復慣性質量が角加速度に与える影響を排除して角加速度を求めることができる。従って、燃焼状態のみに起因する角加速度を算出することができ、角加速度に基づいて正確に燃焼状態を推定することが可能となる。
【００３６】
次に、（１）式の右辺の各トルクを算出する方法を説明する。最初に、角加速度に起因する動的な損失トルクＴ_ａｃ＝Ｊ×（ｄω／ｄｔ）の算出方法を説明する。図３は、クランク軸３６の角加速度を求める方法を示す模式図である。図３に示すように、本実施形態では、クランク軸３６の回転の１０°毎にクランク角センサ３８からクランク角信号が検出される。
【００３７】
本実施形態の燃焼状態推定装置は、角加速度に起因する動的な損失トルクＴ_ａｃをＴＤＣからＢＤＣまでの平均値として算出する。このために、本実施形態の装置は、ＴＤＣとＢＤＣの２ヶ所のクランク角位置で角速度ω_０（ｋ），ω_０（ｋ＋１）をそれぞれ求め、同時にクランク軸３６がＴＤＣからＢＤＣまで回転する時間Δｔ（ｋ）を求める。
【００３８】
角速度ω_０（ｋ）を求める際には、例えば図３に示すように、クランク角がＴＤＣの位置から前後１０°づつ回転している間の時間Δｔ_０（ｋ），Δｔ_１０（ｋ）をクランク角センサ３８から検出する。そして、時間Δｔ_０（ｋ）＋Δｔ_１０（ｋ）の間にクランク軸３６が２０°回転しているため、ω_０（ｋ）＝（２０／（Δｔ_０（ｋ）＋Δｔ_１０（ｋ）））×（π／１８０）を演算することによってω_０（ｋ）［ｒａｄ／ｓ］を算出できる。同様に、ω_０（ｋ＋１）を算出する際は、クランク角がＢＤＣの位置から前後１０°づつ回転している間の時間Δｔ_０（ｋ＋１），Δｔ_１０（ｋ＋１）を検出する。そして、ω_０（ｋ＋１）＝（２０／（Δｔ_０（ｋ＋１）＋Δｔ_１０（ｋ＋１）））×（π／１８０）を演算することによってω_０（ｋ＋１）［ｒａｄ／ｓ］を算出できる。
【００３９】
角速度ω_０（ｋ），ω_０（ｋ＋１）を求めた後は、（ω_０（ｋ＋１）−ω_０（ｋ））／Δｔ（ｋ）を演算し、ＴＤＣからＢＤＣまでクランク軸３６が回転する間の角加速度の平均値を算出する。
【００４０】
そして、角加速度の平均値を求めた後は、（１）式の右辺に従って、角加速度の平均値と慣性モーメントＪを乗算する。これにより、クランク軸３６がＴＤＣからＢＤＣまで回転する間の動的な損失トルクＪ×（ｄω／ｄｔ）の平均値を算出できる。なお、駆動部の慣性モーメントＪは、駆動部品の慣性質量から予め求めておく。
【００４１】
次にフリクショントルクＴ_ｆの算出方法を説明する。図４はフリクショントルクＴ_ｆと内燃機関１０の機関回転数（Ｎｅ）、冷却水温（ｔｈｗ）との関係を表したマップである。図４において、フリクショントルクＴ_ｆ、機関回転数（Ｎｅ）、冷却水温（ｔｈｗ）は、ＴＤＣからＢＤＣまでクランク軸３６が回転した場合の平均値である。また、冷却水温は、ｔｈｗ１→ｔｈｗ２→ｔｈｗ３の順に高温になる。図４に示すように、フリクショントルクＴ_ｆは機関回転数（Ｎｅ）が増えると増加し、また冷却水温（ｔｈｗ）が低くなると増加する傾向にある。図４のマップは、機関回転数（Ｎｅ）、冷却水温（ｔｈｗ）をパラメータとして可変し、ＴＤＣからＢＤＣまでクランク軸３６を回転させた際に発生するフリクショントルクＴ_ｆを測定し、その平均値を算出することで予め作成しておく。そして、燃焼状態を推定する際には、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間における冷却水温の平均値、機関回転数の平均値を図４のマップに当てはめて、フリクショントルクＴ_ｆの平均値を求める。この際、冷却水温は水温センサ４２から、機関回転数はクランク角センサ３８からそれぞれ検出する。
【００４２】
クランク角の変動に伴うフリクショントルクＴ_ｆの挙動は非常に複雑であり、バラツキも大きい。しかし、フリクショントルクＴ_ｆの挙動は主としてピストン３４の速度に依存しているため、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間毎のフリクショントルクＴ_ｆの平均値はほぼ一定している。従って、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間（ＴＤＣ→ＢＤＣ）毎にフリクショントルクＴ_ｆの平均値を求めることで、複雑な瞬時挙動を示すフリクショントルクＴ_ｆを精度良く求めることができる。また、フリクショントルクＴ_ｆをこの区間毎の平均値とすることで、図４に示すマップを正確に作成することができる。
【００４３】
また、上述したようにフリクショントルクＴ_ｆには補機類の摩擦によるトルクが含まれる。ここで、補機類の摩擦によるトルクは、補機類が動作しているか否かによって値が異なる。例えば、補機の１つであるエアコンのコンプレッサには、エンジンの回転がベルト等によって伝達されており、エアコンが実際に動作していない状態であっても摩擦によるトルクが発生している。
【００４４】
一方、補機類を動作させた場合、例えばエアコンのスイッチをオン（ＯＮ）した場合は、エアコンを動作させていない状態に比べてコンプレッサで消費されるトルクは大きくなる。このため、補機類の摩擦によるトルクが大きくなり、フリクショントルクＴ_ｆの値も増大する。従って、フリクショントルクＴ_ｆを正確に求めるためには、補機類の動作状態を検出し、補機類のスイッチがオン（ＯＮ）している場合には、図４のマップから求めたフリクショントルクＴ_ｆの値を補正することが望ましい。
【００４５】
なお、極冷間始動時などにおいては、実際にフリクショントルクＴ_ｆが発生している部位の温度と冷却水温との差を考慮して、フリクショントルクＴ_ｆを補正することがより好適である。この場合、冷間始動後の機関始動時間、筒内流入燃料量等を考慮して補正を行うことが望ましい。
【００４６】
次に、図５のフローチャートに基づいて、本実施形態の燃焼状態推定装置における処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１ではクランク角位置がトルク算出タイミングであるか否かを判定する。具体的には、クランク角がＴＤＣ＋１０°以降、ＢＤＣ＋１０°以降のいずれの状態にあるか否かを判定する。トルク算出タイミングである場合はステップＳ２へ進み、トルク算出タイミングでない場合は終了する（ＥＮＤ）。
【００４７】
次のステップＳ２では、トルク算出に必要なパラメータを取得する。具体的には、機関回転数（Ｎｅ（ｋ）），冷却水温（ｔｈｗ（ｋ）），角速度（ω_０（ｋ），ω_０（ｋ＋１））、時間（Δｔ）などの各パラメータを取得する。
【００４８】
次のステップＳ３では、フリクショントルクＴ_ｆ（ｋ）を算出する。上述のように、フリクショントルクＴ_ｆ（ｋ）は機関回転数（Ｎｅ（ｋ））と冷却水温（ｔｈｗ（ｋ））の関数であり、図４のマップからＴＤＣからＢＤＣまでの区間における平均値を求める。
【００４９】
次の、ステップＳ４では、補機類のスイッチがオン（ＯＮ）しているか否かを判定する。スイッチがオン（ＯＮ）している場合はステップＳ５へ進み、ステップＳ３で求めたフリクショントルクＴ_ｆ（ｋ）を補正する。具体的には、Ｔ_ｆ（ｋ）に所定の補正係数を乗算したり、Ｔ_ｆ（ｋ）に所定の補正値を加算するなどの方法で補正を行う。ステップＳ４でスイッチがオフ（ＯＦＦ）の場合はステップＳ６へ進む。
【００５０】
ステップＳ６では、角加速度に起因する動的な損失トルクＴ_ａｃ（ｋ）を算出する。ここでは、Ｔ_ａｃ（ｋ）＝Ｊ×（（ω_０（ｋ＋１）−ω_０（ｋ））／Δｔ）を演算して、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間における動的な損失トルクの平均値Ｔ_ａｃ（ｋ）を算出する。
【００５１】
次のステップＳ７では、図示トルクＴ_ｉ（ｋ）を算出する。ここでは、Ｔ_ｉ（ｋ）＝Ｔ_ａｃ（ｋ）＋Ｔ_ｆ（ｋ）を演算してＴ_ｉ（ｋ）を算出する。なお、ステップＳ５でＴ_ｆ（ｋ）を補正している場合は、補正後のＴ_ｆ（ｋ）を用いて演算を行う。ここで得られた図示トルクＴ_ｉ（ｋ）は、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間の平均値である。
【００５２】
そして、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間では、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値＝０であるため、式（２）より、求めた図示トルクＴ_ｉ（ｋ）は筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓ（ｋ）となる。
【００５３】
図６は、算出した図示トルクＴ_ｉ（ｋ）（＝Ｔ_ｇａｓ（ｋ））と各気筒の各行程との関係を示す模式図である。図６に示すように、内燃機関１０が＃１〜＃４の４気筒で構成される場合、クランク軸３６の１８０°回転毎に＃１、＃３、＃４、＃２の順で爆発行程が行われる。爆発行程毎、すなわちクランク角１８０°毎に図示トルクを順次算出していくと、図６に示すように、図示トルクＴ_ｉ（ｋ）は＃１の気筒の爆発に対応する。同様に、図示トルクＴ_ｉ（ｋ−２）は＃４の気筒の爆発に、図示トルクＴ_ｉ（ｋ−１）は＃２の気筒の爆発に、図示トルクＴ_ｉ（ｋ＋１）は＃３の気筒の爆発に、図示トルクＴ_ｉ（ｋ＋２）は＃４の気筒の爆発に、それぞれ対応する。
【００５４】
ここで、図示トルクＴ_ｉ（ｋ）が発生した行程に着目すると、＃１は爆発行程、＃３は圧縮行程、＃４は吸気行程、＃２は排気行程となっている。ここで、圧縮、吸気、排気行程のトルクは、爆発行程で発生する筒内ガス圧によるトルクに比べて非常に小さいため、図示トルクＴ_ｉは＃１の爆発により発生した筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓとみなすことができる。従って、図示トルクをＴ_ｉ（ｋ−２），Ｔ_ｉ（ｋ−１），Ｔ_ｉ，Ｔ_ｉ（ｋ＋１），Ｔ_ｉ（ｋ＋２）の順に算出することで、＃４、＃２、＃１、＃３、＃４の順に各気筒の爆発による筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓを算出することができる。これにより、各気筒の燃焼状態を推定することができる。
【００５５】
図７は、算出した図示トルクＴ_ｉ（ｋ）（＝Ｔ_ｇａｓ（ｋ））と、始動直後からのピストン３４の往復運動回数（ストローク数）を示す特性図である。この特性図は、＃１〜＃４の各気筒の爆発行程が順次行われた際に、爆発行程毎に推定した図示トルクＴ_ｉ（ｋ）をプロットしたものである。本実施形態の燃焼状態推定装置では、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の影響を排除し、また、マップを用いてフリクショントルクＴ_ｆを精度よく求めることができるため、筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓを絶対値で正確に推定することができる。従って、始動直後などの定常運転時以外であっても、絶対値のトルクに基づいて燃焼状態の良否を正確に判定することが可能となる。図７の結果によれば、始動直後の３０ストローク近辺までは、図示トルクＴ_ｉ（ｋ）に若干のバラツキが生じており、燃焼状態が良好でないことが判別できる。
【００５６】
図８（Ａ）〜（Ｄ）は図７の結果を各気筒別に表示した特性図である。このように、気筒毎に図示トルクＴ_ｉを表示することによって各気筒の燃焼状態を推定することができる。この結果によれば、図８（Ｃ）に示す＃４の気筒で始動直後に図示トルクＴ_ｉが得られていない。従って、＃４の気筒の燃焼状態が良好でないことが瞬時に判別できる。
【００５７】
なお、上述した例では、ＴＤＣとＢＤＣにおける角速度から角加速度による動的な損失トルクＴ_ａｃを求めたが、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間を更に複数の区間に分割し、分割した各区間毎に角加速度による動的な損失トルクを求め、これらの損失トルクを平均して１８０°毎の損失トルクＴ_ａｃを求めても良い。例えば、ＴＤＣからＢＤＣまでのクランク角を３０°毎に６等分し、３０°毎に動的な損失トルクを求めて平均化処理することで、ＴＤＣ−ＢＤＣ間の動的な損失トルクＴ_ａｃの平均値を求めても良い。これにより、クランク角速度の検出箇所をより多くすることができ、クランク角検出誤差を最小限に抑えることが可能となる。
【００５８】
また、上述した例では、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間を１８０°に設定したが、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間をより広く設定しても良い。４気筒の内燃機関の場合、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間の最少単位が１８０°であるため、１８０°の整数倍でＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間を設定することができる。例えば推定したトルクによってトルク制御を行う場合など、図示トルクＴ_ｉを推定する頻度が低くても構わない場合には、３６０°、７２０°などの、より広い角度範囲に設定しても構わない。
【００５９】
なお、上述した例では、４気筒の内燃機関に本発明を適用したが、４気筒以外の内燃機関であっても往復慣性質量によるトルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間を求めることで、４気筒の場合と同様に燃焼状態を推定することができる。図９は、４気筒以外の内燃機関におけるトルク特性を示す図であって、図２と同様に（２）式の各トルクとクランク角との関係を示す特性図である。ここで、図９（Ａ）は単気筒の場合を、図９（Ｂ）は６気筒の場合をそれぞれ示している。
【００６０】
図９（Ａ）に示すように、単気筒の場合はクランク角７２０°毎に１回の爆発行程が行われ、筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓは１回の爆発毎に増加、減少を繰り返す。そして、クランク角３６０°〜５４０°の区間で往復慣性質量によるトルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}（点線）の平均値は０となる。従って、この区間毎に角加速度、図示トルクを求めることで、燃焼状態を正確に推定することができる。
【００６１】
図９（Ｂ）に示す６気筒の場合も同様である。６気筒の場合は、クランク角７２０°毎に６回の爆発行程が行われるため、筒内ガス圧によるトルクＴ_ｇａｓはクランク角１２０°毎に増加、減少を繰り返す。そして、クランク角０°〜１２０°の区間で往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値は０となる。従って、クランク角１２０°毎に角加速度、図示トルクを求めることで往復慣性質量による影響を排除することができ、燃焼状態を正確に推定することができる。１サイクルのクランク回転角は７２０°であるため、特に多気筒の内燃機関の場合、（７２０°／気筒数）を演算して得られた角度範囲をＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間の最少単位とすることができる。
【００６２】
オフセットクランクを有する内燃機関の場合は、オフセットクランクを有していない内燃機関と比べるとＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間が若干変動する。例えば４気筒のオフセットクランクの場合は、ＴＤＣからＢＤＣまでのクランク角が１８０°よりも若干大きな値となる。しかし、この場合であっても、ＴＤＣからＢＤＣまでの区間において往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値は０である。従って、オフセットクランクを有する内燃機関であっても、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間で角加速度、図示トルクを求めることができ、燃焼状態を正確に推定することができる。なお、ＴＤＣからＢＤＣまでのクランク角が１８０°よりも若干大きな値を取るオフセットクランクの場合に、クランク角０°〜１８０°の区間で図示トルクを計算しても、慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値は完全には０ではないものの、その影響は極めて小さい。従って、オフセットクランクの場合であっても、クランク角が０°〜１８０°の区間におけるクランク角加速度に基づいて、内燃機関の燃焼状態を推定しても良い。
【００６３】
なお、上述した例では、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間で、クランク角加速度、損失トルク、フリクショントルクの平均値を算出したが、平均値以外の情報、例えばトルクの積算値をこの区間で算出しても良い。この区間ではＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の影響が排除されているため、積算値などの他のパラメータを用いても燃焼状態を正確に推定することができる。
【００６４】
また、上述した例では、負荷トルクＴｌ＝０として燃焼状態を推定したが、傾きセンサなどの情報に基づいて負荷トルクＴ_ｌを求め、図示トルクＴ_ｉの推定に用いることで、車両走行時の全運転領域で燃焼状態を推定することが可能となる。これにより、例えば冷間始動時に負荷変化に起因する冷間ヘジテーション（始動時のもたつき）が発生した場合であっても、燃焼状態を確実に推定することが可能となる。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態の燃焼状態推定装置によれば、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間でクランク軸３６の角加速度の平均値を算出するようにしたため、Ｔ_{ｉｎｅｒｔｉａ}が角加速度に与える影響を排除することができ、燃焼状態に対応した情報のみから角加速度、及び角加速度による動的な損失トルクＴ_ａｃを求めることができる。また、往復慣性質量による慣性トルクＴ_{ｉｎｅｒｔｉａ}の平均値が０となる区間においてフリクショントルクの平均値を求めるようにしたため、瞬間的なフリクション挙動に影響を受けることなく、正確にフリクショントルクＴ_ｆを求めることができる。従って、燃焼状態に対応した図示トルクＴ_ｉの絶対値を高い精度で求めることができ、図示トルクＴ_ｉに基づいて燃焼状態を正確に推定することが可能となる。
【００６６】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００６７】
請求項１記載の発明によれば、往復慣性質量による慣性トルクの平均値がほぼ０となる区間の角加速度に基づいて燃焼状態を推定するようにしたため、往復慣性質量による慣性トルクが角加速度に与える影響を排除することができる。従って、角加速度に基づいて燃焼状態を正確に推定することが可能となる。
【００６８】
請求項２記載の発明によれば、往復慣性質量による慣性トルクの平均値が０となる区間におけるクランク角加速度の平均値を算出するようにしたため、この平均値に基づいて燃焼状態を正確に推定することが可能となる。
【００６９】
請求項３記載の発明によれば、往復慣性質量による慣性トルクの平均値が０となる区間をクランク軸が回転する際の所要時間と、区間の両端でのクランク角速度とを用いて、この区間におけるクランク角加速度の平均値を正確に算出することができる。
【００７０】
請求項４記載の発明によれば、往復慣性質量による慣性トルクの平均値が０となる区間でのクランク角加速度と駆動部の慣性モーメントとから角加速度による動的な損失トルクを求めるようにしたため、動的な損失トルクに基づいて燃焼状態を推定することが可能となる。
【００７１】
請求項５記載の発明によれば、往復慣性質量による慣性トルクの平均値が０となる区間における動的な損失トルクの平均値を算出するようにしたため、この平均値に基づいて燃焼状態を正確に推定することが可能となる。
【００７２】
請求項６記載の発明によれば、動的な損失トルクとフリクショントルクから燃焼により発生したトルクの絶対値を求めることができるため、燃焼状態をより正確に推定することができる。
【００７３】
請求項７記載の発明によれば、往復慣性質量による慣性トルクの平均値が０となる区間におけるフリクショントルクの平均値を算出するようにしたため、フリクショントルクの瞬間的な挙動による影響を排除できる。従って、この区間におけるフリクショントルクを正確に求めることができる。
【００７４】
請求項８記載の発明によれば、往復慣性質量による慣性トルクの平均値が０となる区間における機関回転数と冷却水温の平均値に基づいてフリクショントルクを算出するようにしたため、この区間におけるフリクショントルクを正確に算出することができる。
【００７５】
請求項９記載の発明によれば、補機類のフリクショントルクを考慮してフリクショントルクを正確に求めることができる。
【００７６】
請求項１０記載の発明によれば、往復慣性質量による慣性トルクの平均値が０となる区間におけるクランク角加速度の平均値から、損失トルクに関する平均値を正確に求めることが可能となる。
【００７７】
請求項１１記載の発明によれば、往復慣性質量による慣性トルクの平均値が０となる区間をクランク軸が回転する際の所要時間と、区間の両端でのクランク角速度とを用いて、この区間におけるクランク角加速度の平均値を正確に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる内燃機関の燃焼状態推定装置及びその周辺の構造を説明するための図である。
【図２】図示トルク、筒内ガス圧によるトルク及び往復慣性質量による慣性トルクと、クランク角との関係を示す特性図である。
【図３】クランク軸の角加速度を求める方法を示す模式図である。
【図４】フリクショントルクと機関回転数及び冷却水温との関係を表すマップを示す模式図である。
【図５】燃焼状態推定装置における処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】図示トルクＴ_ｉ（ｋ）と各気筒の各行程との関係を示す模式図である。
【図７】図示トルクの推定結果を示す特性図である。
【図８】図７の結果を各気筒別に表示した特性図である。
【図９】単気筒、６気筒の場合のトルク特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１０　内燃機関
３４　ピストン
３６　クランク軸
３８　クランク角センサ
４０　ＥＣＵ
４２　水温センサ

Claims

内燃機関の燃焼状態を推定する装置であって、
クランク角加速度を算出する角加速度算出手段と、
往復慣性質量による慣性トルクの平均値がほぼ０となるクランク角の区間におけるクランク角加速度に基づいて内燃機関の燃焼状態を推定する燃焼状態推定手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼状態推定装置。
前記クランク角加速度の前記区間における平均値を求める角加速度平均値算出手段を備え、
前記燃焼状態推定手段は、前記平均値に基づいて内燃機関の燃焼状態を推定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。
前記区間の両端でのクランク角速度を検出する角速度検出手段を備え、
前記角加速度平均値算出手段は、クランク軸が前記区間を回転する際の所要時間と、前記区間の両端でのクランク角速度とから前記平均値を算出することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。
前記区間におけるクランク角加速度と駆動部の慣性モーメントとに基づいて、前記クランク角加速度に起因して発生する動的な損失トルクを求める損失トルク算出手段を備え、
前記燃焼状態推定手段は、前記動的な損失トルクに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。
前記動的な損失トルクの前記区間における平均値を求める損失トルク平均値算出手段を備え、
前記燃焼状態推定手段は、動的な損失トルクに関する前記平均値に基づいて内燃機関の燃焼状態を推定することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。
前記区間における駆動部のフリクショントルクを求めるフリクショントルク算出手段を備え、
前記燃焼状態推定手段は、前記動的な損失トルクと、前記フリクショントルクとに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。
前記区間における駆動部のフリクショントルクを求めるフリクショントルク算出手段と、
前記フリクショントルクの前記区間における平均値を求めるフリクショントルク平均値算出手段とを備え、
前記燃焼状態推定手段は、動的な損失トルクに関する前記平均値とフリクショントルクに関する前記平均値とに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。
前記フリクショントルク平均値算出手段は、前記区間における内燃機関の機関回転数の平均値と前記区間における冷却水温の平均値とに基づいてフリクショントルクに関する前記平均値を求めることを特徴とする請求項７記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。
前記フリクショントルクは補機類のフリクショントルクを含むことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。
前記クランク角加速度の前記区間における平均値を求める角加速度平均値算出手段を備え、
前記損失トルク平均値算出手段は、クランク角加速度に関する前記平均値と駆動部の慣性モーメントとに基づいて損失トルクに関する前記平均値を求めることを特徴とする請求項５、７及び８のいずれかに記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。
前記区間の両端でのクランク角速度を検出する角速度検出手段を備え、
前記角加速度平均値算出手段は、クランク軸が前記区間を回転する際の所要時間と、前記区間の両端でのクランク角速度とからクランク角加速度に関する前記平均値を算出することを特徴とする請求項１０記載の内燃機関の燃焼状態推定装置。