JP2005248909A - 内燃機関の燃焼状態検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の高回転域を含む領域で精度良く燃焼状態を検出することができる内燃機関の燃焼状態検出装置を提供する。
【解決手段】回転角センサ４５は、エンジン１０のクランク軸の回転速度を検出する。ＥＣＵ５０は、回転角センサ４５の検出により得られた回転速度信号に含まれる、エンジン１０の燃焼サイクルに同期する第１周波数成分と該第１周波数成分より高周波の第２周波数成分とを抽出する。そして、所定のエンジン回転数よりも低回転域では第１周波数成分の回転変動量を用いて燃焼状態を検出し、高回転域では第２周波数成分の回転変動量を用いて燃焼状態を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼状態検出装置に関するものである。

内燃機関の運転時において、内燃機関の回転速度は燃焼サイクルに合わせて変動することが知られており、その回転速度の燃焼サイクル変動に基づいて失火等の燃焼状態を検出する従来技術がある。例えば特許文献１では、１燃焼サイクルにおける前半部分の回転変動量と後半部分の回転変動量とを比較することで燃焼状態を検出している。また、特許文献２では、正常運転状態において、所定行程内にあるクランク軸の角速度変動差量を複数回検出して同角速度変動差量の確率分布を求めると共に、該確率分布に基づいて異常燃焼領域を判別する基準値を設定して失火検出を実施している。かかる場合、正常燃焼時と失火等の異常燃焼時とでは燃焼サイクル毎の回転速度の変動量に差異が生じることから燃焼状態の検出が可能となる。

しかしながら、従前の検出手法では、機関回転数が上昇するほど、燃焼状態の検出精度が低下するという問題が生じる。つまり、内燃機関の高回転域では燃焼サイクル毎の回転速度変動が小さくなることが確認されており、回転速度変動が小さくなることで、正常燃焼状態と異常燃焼状態との差別化が困難になり、燃焼状態の検出精度低下を招くこととなる。従って、燃焼状態の検出精度向上を図るべく新たな技術的手段が望まれている。
米国特許第６４０１５２７号公報 特開２０００−２４０５００号公報

本発明は、内燃機関の高回転域を含む領域で精度良く燃焼状態を検出することができる内燃機関の燃焼状態検出装置を提供することを主たる目的とするものである。

請求項１に記載の発明では、回転速度検出手段によって、内燃機関のクランク軸の回転速度が検出される。そして、その検出により得られた回転速度信号に含まれる、内燃機関の燃焼サイクルに同期する第１周波数成分よりも高周波の第２周波数成分が抽出され、該抽出された第２周波数成分に基づいて内燃機関の燃焼状態が検出される。

要するに、クランク軸の回転速度は内燃機関の燃焼サイクルに合わせて変動し、回転速度信号には燃焼サイクルに同期する周波数成分（第１周波数成分）が含まれる。また加えて、同回転速度信号には、クランク軸のねじり等から発生する高周波成分の振動（第２周波数成分）が含まれる。この高周波成分である第２周波数成分は、特に内燃機関の高回転域で回転変動が大きくなることが本願発明者によって確認されており、この第２周波数成分を用いることにより、高回転域にあっても精度良く機関燃焼状態を検出することが可能となる。これにより、燃焼状態検出の信頼性を大幅に向上させることができる。

高周波成分である第２周波数成分は、内燃機関の高回転域で回転変動が大きくなることから、請求項２に記載したように、所定の機関回転数よりも高回転域である場合に第２周波数成分に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出するのが望ましい。

燃焼サイクルに同期する第１周波数成分は、内燃機関の低回転域で回転変動が大きいが、高回転域で回転変動が小さくなる。また、高周波成分である第２周波数成分は、前述したとおり内燃機関の高回転域で回転変動が大きくなる。従って、請求項３に記載したように、所定の機関回転数よりも低回転域では前記第１周波数成分に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出し、高回転域では前記第２周波数成分に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出すると良い。これにより、内燃機関の低回転域から高回転域までの広範囲にかけて燃焼状態を精度良く検出できるようになる。

多気筒内燃機関において、前記第２周波数成分は気筒間の減衰特性に起因してばらつきが大きい。この減衰特性は、クランク軸の回転速度検出位置と各気筒の配列に応じて生じるものであり、クランク軸の回転速度検出位置から離れる気筒ほど、高周波成分の回転変動が減衰すると考えられる。そこで、請求項４に記載の発明では、第２周波数成分の気筒間の減衰特性に基づいて第２周波数成分の回転変動量を補正する。これにより、第２周波数成分の気筒間ばらつきが吸収でき、機関燃焼状態の検出精度を高めることができる。

前記請求項４の発明では請求項５に記載したように、気筒毎に算出した前記第２周波数成分の回転変動量と第１周波数成分の回転変動量との比較により気筒毎に前記減衰特性としての減衰学習値を算出し、該減衰学習値により第２周波数成分の回転変動量を補正すると良い。この場合、第１周波数成分の回転変動量は気筒間のばらつきが少ないため、これを基準とすれば第２周波数成分の回転変動量の気筒間のばらつきが精度良く学習できる。

更に、請求項６に記載したように、内燃機関が所定の低回転状態にある場合に第１周波数成分と第２周波数成分とにより気筒毎に減衰学習値を算出すると良い。内燃機関の低回転状態では第１周波数成分のばらつきが特に小さいため、減衰学習値が精度良く学習できる。

また、請求項７に記載したように、第２周波数成分の気筒別減衰特性データを予め記憶しておき、該気筒別減衰特性データに基づいて第２周波数成分の回転変動量を気筒毎に補正しても良い。この場合、気筒数分の減衰特性データ（例えばマップ等）を用意しておくことが必要となるが、本構成によっても、第２周波数成分の気筒間ばらつきが吸収でき、機関燃焼状態の検出精度を高めることができる。

請求項８に記載の発明では、回転速度信号から第２周波数成分を抽出するための抽出周波数帯域が機関回転数に応じて可変に設定される。つまり、高周波成分である第２周波数成分はクランク軸のねじり共振周波数に基づくものであり、その周波数は機関回転数に依存しないが、第１周波数成分の周波数は機関回転数に依存して変化する。この場合、第２周波数成分の抽出周波数帯域を機関回転数に応じて設定することにより、高回転域において第１周波数成分と第２周波数成分との差が小さくなっても、これら各周波数成分が明確に分離できる。具体的には、機関回転数が高くなるほど、第２周波数成分の抽出周波数帯域を高い周波数にすると良い。

請求項９に記載の発明では、回転速度信号から第１周波数成分を抽出するための抽出周波数帯域が機関回転数に応じて可変に設定される。この場合、機関回転数に合わせて適正に第１周波数成分が抽出できる。具体的には、機関回転数が高くなるほど、第１周波数成分の抽出周波数帯域を高い周波数にすると良い。

第２周波数成分の回転変動量と内燃機関の燃焼トルクとには相関があり、概ね同回転変動量が大きいほど燃焼トルクが大きいと推定できることが本願発明者により確認された。故に、請求項１０に記載したように、第２周波数成分の回転変動量に基づいて内燃機関の燃焼時に発生する燃焼トルクを推定することが可能となる。

第２周波数成分の回転変動が最大となる位置と内燃機関の筒内圧のピーク発生位置とには相関があることが本願発明者により確認された。故に、請求項１１に記載したように、第２周波数成分に基づいて内燃機関の筒内圧のピーク発生位置を推定することが可能となる。内燃機関の筒内圧のピーク発生位置が推定できれば、その推定結果を点火時期制御等に用いることができる。

ノック発生時には当該ノックによる振動がピストン等を通じてクランク軸に伝達されるため、回転速度検出手段の検出信号にはノック振動成分が含まれる。従って、ノック振動が回転速度検出手段により検出できる。このノック振動は第２周波数成分として検出できる。故に、請求項１２に記載したように、第２周波数成分に基づいて内燃機関のノック発生の有無を判定することが可能となる。

また、請求項１３に記載したように、第２周波数成分の回転変動を複数サンプリングし、該サンプリングした回転変動の統計的処理に基づいて内燃機関の燃焼安定度（燃焼ラフネスとも称される）を判定することも可能である。この場合、第２周波数成分の回転変動のばらつきに応じて燃焼安定度を判定する。回転変動のパラメータとしては、ピーク値、変動量（振幅量）、変動量の積分値等を用いることができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である火花点火式の４サイクル多気筒エンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図１を用いてエンジン制御システムの全体概略構成を説明する。

図１において、エンジン１０の吸気ポートと排気ポートとにはそれぞれ吸気管１１と排気管１２とが接続されている。吸気管１１には、図示しないアクセルペダルに連動するスロットル弁１３が設けられると共に、吸入空気の量を検出するためのエアフローメータ１４が配設されている。スロットル弁１３の開度はスロットルセンサ１５により検出され、同センサ１５によればスロットル全閉の状態も併せて検出される。

シリンダブロック１６には気筒を構成するシリンダ１７が形成されており、このシリンダ１７内には図の上下方向に往復動するピストン１８が配設されている。ピストン１８はコンロッド１９を介して図示しないクランク軸に連結されている。ピストン１８の上方には、シリンダブロック１６とシリンダヘッド２３により区画形成された燃焼室２０が設けられ、燃焼室２０は吸気バルブ２１及び排気バルブ２２を介して吸気管１１及び排気管１２に連通している。シリンダブロック１６には、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ２５が配設されている。

排気管１２には２つの触媒コンバータ３１，３２が配設されており、これら触媒コンバータ３１，３２は、排ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘといった三成分を浄化するための三元触媒からなる。上流側の触媒コンバータ３１は、下流側の触媒コンバータ３２に比べてその容量が小さく、エンジン始動直後の暖機が比較的早い、いわゆるスタートキャタリストとしての役割を持つ。なお、上流側の触媒コンバータ３１は、エンジン排気ポート端面から約３００ｍｍ程度の位置に設けられる。

触媒コンバータ３２の上流側には、限界電流式空燃比センサからなるＡ／Ｆセンサ３３が設けられ、同Ａ／Ｆセンサ３３は排ガス中の酸素濃度（或いは、未燃ガス中の一酸化炭素の濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃比信号を出力する。また、同触媒コンバータ３２の下流側には、理論空燃比（ストイキ）を境にしてリッチ側とリーン側とで異なる電圧信号を出力するＯ2センサ３４が設けられている。

電磁駆動式のインジェクタ３５には図示しない燃料供給系から高圧燃料が供給され、インジェクタ３５は通電に伴いエンジン吸気ポートに燃料を噴射供給する。本実施の形態では、吸気マニホールドの各分岐管毎に１つずつインジェクタ３５を有するマルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）システムが採用されている。シリンダヘッド２３に配設された点火プラグ３６は、図示しないイグナイタから供給される点火用高電圧により発火する。

この場合、吸気管上流から供給される新気とインジェクタ３５による噴射燃料とがエンジン吸気ポートにて混合され、その混合気が吸気バルブ２１の開弁動作に伴い燃焼室２０内に流入する。燃焼室２０内に流入した燃料は、点火プラグ３６による点火火花にて着火され、燃焼に供される。

吸気バルブ２１を所定のタイミングで開閉させるための吸気側カム軸４１と、排気バルブ２２を所定のタイミングで開閉させるための排気側カム軸４２とは、図示しないタイミングベルト等を介してクランク軸に駆動連結されている。吸気側カム軸４１には油圧駆動式の吸気側可変バルブタイミング機構４３が設けられ、排気側カム軸４２には同じく油圧駆動式の排気側可変バルブタイミング機構４４が設けられている。吸気側及び排気側の可変バルブタイミング機構４３，４４はそれぞれ、吸気側及び排気側のカム軸４１，４２とクランク軸との間の相対的な回転位相を調整するための位相調整式可変バルブタイミング機構として設けられ、その動作は図示しないソレノイドバルブによる油圧制御に従い調整される。すなわち、吸気側及び排気側の可変バルブタイミング機構４３，４４の制御量に応じて、吸気側及び排気側のカム軸４１，４２がクランク軸に対して遅角側或いは進角側に回動し、その動作に合わせて吸気バルブ２１及び排気バルブ２２の開閉時期が遅角側或いは進角側に移行する。

図示しないクランク軸には、該クランク軸の回転位置を検出する回転角センサ４５が設けられている。この回転角センサ４５が回転速度検出手段に相当する。本実施の形態では特に、回転角センサ４５として回転角位置を電気量に変換するレゾルバを用いており、該レゾルバの出力をＲＤコンバータ等にてデジタル信号に変換することで、図２に示す信号波形が得られる。なお、図２において、（ａ）にはレゾルバを用いた回転角センサ４５の出力波形を示し、（ｂ）には、比較のために電磁ピックアップ方式の回転角センサの出力波形を示す。図２の（ａ）に示すように、レゾルバを用いた回転角センサ４５は、クランク軸の回転位置に対応したリニアな信号を出力し、クランク軸が１回転する度にセンサ出力がリセットされる構成となっている。これに対し、（ｂ）に示すように、電磁ピックアップ方式の回転角センサは、所定クランク角度毎（例えば３０°ＣＡ毎）にパルス信号を出力する構成となっている。

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３、バックアップＲＡＭ５４等からなるマイクロコンピュータを中心に構成されている。ＥＣＵ５０は、前記した各種センサの検出信号を入力し、該検出信号に基づいて吸入空気量、スロットル開度、エンジン水温、触媒上流側及び下流側の空燃比（Ａ／Ｆ）、エンジン回転数などのエンジン運転状態を検知する。ＥＣＵ５０は、上記の如く検出した各種のエンジン運転状態に基づいてインジェクタ３５による燃料噴射の制御、点火プラグ３６による点火時期の制御、可変バルブタイミング機構４３，４４による吸排気バルブ２１，２２の開閉時期の制御等を実施する。

ここで、回転角センサ４５の検出により得られる回転速度信号について詳しく説明する。図３は、４気筒エンジンにおける回転速度信号のクランク角度と回転速度との関係を示しており、図３の左側には低回転（２０００ｒｐｍ）の場合の回転速度信号を、右側には高回転（４０００ｒｐｍ）の場合の回転速度信号をそれぞれ示す。また、（ａ）は回転速度信号そのものの波形を、（ｂ）はその回転速度信号に含まれる低周波成分の波形を、（ｃ）は同回転速度信号に含まれる高周波成分の波形を、それぞれ示す。各気筒の燃焼順序は第１気筒→第３気筒→第４気筒→第２気筒であり、図３には各気筒の圧縮ＴＤＣを＃１ＴＤＣ，＃２ＴＤＣ，＃３ＴＤＣ，＃４ＴＤＣとしている。

先ずは低回転の場合の信号波形について説明する。図３の（ａ）に示すように、回転速度信号は概ね燃焼サイクルに合わせて変動し、各気筒の圧縮ＴＤＣ後における燃焼膨張行程で上昇し、その後、下降に転じる。この繰り返しにより、図示のような回転速度変動が生じる。但し、実際に燃焼トルクが発生するのは圧縮ＴＤＣ後であるため、各ＴＤＣよりも遅れて回転速度が上昇する。

また、回転速度信号は、燃焼サイクル変動に依存する低周波成分とそれよりも高周波の高周波成分とを含んでおり、このうち低周波成分は、図３の（ｂ）に示すように、前記の通り燃焼サイクルに同期して変動する。これに対し、回転速度信号の高周波成分は、図３の（ｃ）に示すように、燃焼サイクルに関係なく所定の周波数にて変動する。（ｃ）に示す高周波成分は、クランク軸のねじり共振周波数に応じて変動するものである。この場合、低周波成分の回転変動量をΔＮＬ、高周波成分の回転変動量をΔＮＨとしている。

高回転の場合には、回転速度信号の信号波形が低回転時と相違する。すなわち、前述の通り回転速度信号には燃焼サイクル変動に依存する低周波成分とそれよりも高周波の高周波成分とが含まれており、そのうち低周波成分は、（ｂ）に示すように、前記同様、燃焼サイクルに合わせて変動するが、その回転変動量ΔＮＬは低回転時に比べて小さいものとなっている。また、（ｃ）に示す高周波成分は、その回転変動量ΔＮＨが低回転時に比べて大きいものとなっている。

以上のように、低周波成分の回転変動量ΔＮＬは、低回転時には比較的大きく、高回転時には比較的小さいものとなる。また、高周波成分の回転変動量ΔＮＨは、低回転時には比較的小さく、高回転時には比較的大きいものとなる。このことから、低回転時には、低周波成分の回転変動に基づいてエンジンの燃焼状態を検出することが有利であり、高回転時には、高周波成分の回転変動に基づいてエンジンの燃焼状態を検出することが有利であることが分かる。

また、高周波成分の回転変動は気筒間のばらつきが大きく、これによりエンジン燃焼状態の検出精度に影響が及ぶことが考えられる。この気筒間ばらつきは、回転角センサ４５の取付位置（すなわちセンサ検出位置）と各気筒の配列に応じて生じるものであり、高周波成分は回転角センサ４５に近い気筒ほど大きく、離れるほど減衰する。例えば、＃１〜＃４気筒を有する直列４気筒エンジンであってクランク軸の＃１コンロッド連結部の外側に回転角センサ４５を取り付けた場合には、前記高周波成分の回転変動量は＃１＞＃２＞＃３＞＃４となり、＃４気筒側ほど減衰する。そこで本実施の形態では、高周波成分の気筒間ばらつきを学習し、その学習値を用いて高周波成分の回転変動量ΔＮＨを補正することとしている。但し学習の詳細は後述する。

次に、前記回転速度信号を用いて実施される燃焼トルク推定処理の概要を説明する。図４は、回転角センサ４５の出力を用いて燃焼トルクを推定する処理の過程を機能毎に示す機能ブロック図である。

図４において、回転角センサ（レゾルバ）４５の検出信号は、ＲＤコンバータ等により信号処理された後、回転速度変換部６１に出力される。回転速度変換部６１では、回転角センサ４５の検出信号が回転速度信号に変換される。

その後、低周波／高周波成分抽出部６２では、前記回転速度信号から、燃焼サイクルに同期する低周波成分と、該低周波成分よりも高周波の高周波成分とを抽出する。低周波成分は、回転速度信号をＬＰＦ（ローパスフィルタ）に通すことによって抽出され、高周波成分は、回転速度信号をＨＰＦ（ハイパスフィルタ）に通すことによって抽出される。この場合、低周波成分はエンジン回転数Ｎｅに応じて変化するため、図５の（ａ）に示すように、ＬＰＦのカットオフ周波数をエンジン回転数Ｎｅに応じて可変に設定する。また、エンジン高回転域では低周波成分と高周波成分との差が小さくなるため、図５の（ｂ）に示すように、所定回転数以上の領域においてＨＰＦのカットオフ周波数をエンジン回転数Ｎｅに応じて可変に設定する。

また、減衰特性学習部６３では、高周波成分の気筒間ばらつき（減衰特性）を学習する。この場合、低周波成分は気筒間のばらつきが少ないため、これを基準として高周波成分の気筒間の減衰特性を学習する。具体的には、気筒毎に低周波成分の回転変動量ΔＮＬと高周波成分の回転変動量ΔＮＨとを比較し、その結果から減衰学習値を算出する。この場合特に、エンジン低回転時には低周波成分の気筒間ばらつきが小さいことを利用し、かかる低回転時において気筒毎に減衰学習値を算出する。

回転変動量補正部６４では、減衰特性学習部６３により学習した減衰学習値を用い、高周波成分の回転変動量ΔＮＨを補正する。

筒内圧算出部６５では、回転速度信号の低周波成分の回転変動量ΔＮＬ、又は高周波成分の回転変動量ΔＮＨに基づいて筒内圧ピーク値を算出する。この場合、回転速度信号の回転変動量と筒内圧ピーク値とは図６に示す関係にあり、この関係をマップ等で持つことによりその都度の回転変動量に基づいて筒内圧ピーク値が算出される。ここで図６では、低回転時用の筒内圧特性Ｌ１と高回転時用の筒内圧特性Ｌ２とが設定されており、より具体的にはＬ１はＮｅ＝２０００ｒｐｍ時の筒内圧特性、Ｌ２はＮｅ＝４０００ｒｐｍ時の筒内圧特性である。図６によれば、回転変動量が大きいほど筒内圧ピーク値が大きいと推定される。

燃焼トルク算出部６６では、前記筒内圧算出部６５で算出した筒内圧ピーク値に基づいてエンジン１０の燃焼トルクを算出する。この場合、筒内圧ピーク値と燃焼トルクとは図７に示す関係にあり、この関係をマップ等で持つことによりその都度の筒内圧ピーク値に基づいて燃焼トルクが算出される。図７によれば、筒内圧ピーク値が大きいほど燃焼トルクが大きいと推定される。なお、図４の回転速度変換部６１から燃焼トルク算出部６６に至るまでの各処理は例えばＥＣＵ５０により具体化される。

次に、ＥＣＵ５０のＣＰＵ５１により実行される減衰特性学習処理、燃焼トルク算出処理、回転変動量の補正処理について図８〜図１０のフローチャートに基づいて説明する。ここで、図８は減衰特性学習処理を示すフローチャート、図９は燃焼トルク算出処理を示すフローチャート、図１０は回転変動量の補正処理を示すフローチャートである。図８及び図９の処理は各気筒の圧縮ＴＤＣに同期させて実行され、図１０の処理は図９の処理のサブルーチンとして実行される。

先ず図８の減衰特性学習処理を説明する。図８において、先ずステップＳ１０１では、エンジン回転数Ｎｅが所定の回転数域（Ｔｈ１〜Ｔｈ２）内にあるか否かを判別する。Ｔｈ１，Ｔｈ２は、エンジン回転域Ｎｅが所定の減衰特性学習域にあるかを判定するためのしきい値であり、例えばＴｈ１＝１０００ｒｐｍ、Ｔｈ２＝２０００ｒｐｍである。エンジン回転数Ｎｅが所定の回転数域（Ｔｈ１〜Ｔｈ２）内にあることを条件に後続のステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２〜Ｓ１０５では、今現在、何れの気筒の圧縮ＴＤＣであるかを判別する。この場合、燃焼順序が＃１→＃３→＃４→＃２であることから、＃１ＴＤＣではその直前の燃焼気筒が＃２気筒となり、その＃２気筒について低周波成分及び高周波成分の回転変動量ΔＮＬ２，ΔＮＨ２に基づいて減衰学習値を算出する。他も同様にして、＃２ＴＤＣでは＃４気筒の減衰学習値を、＃３ＴＤＣでは＃１気筒の減衰学習値を、＃４ＴＤＣでは＃３気筒の減衰学習値を、それぞれ算出する。

具体的には、＃１ＴＤＣである場合ステップＳ１０２がＹＥＳとなり、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、＃２気筒の燃焼に関して低周波成分の回転変動量ΔＮＬ２と高周波成分の回転変動量ΔＮＨ２とを読み込んでそれらΔＮＬ２，ΔＮＨ２の比Ｋ２を算出する（Ｋ２＝ΔＮＬ２／ΔＮＨ２）。なおこのとき、例えば、＃１ＴＤＣ前１８０°ＣＡ期間内で回転変動量が観測され、そのうちの最大値がΔＮＬ２，ΔＮＨ２とされるようになっている。次いで、ステップＳ１０７では、例えば次式によりＫ２の平均化処理（なまし処理）を行い、その結果を＃２気筒の減衰学習値Ｋ２ｓｍとする。

Ｋ２ｓｍ＝Ｋ２ｓｍ×１５／１６＋Ｋ２／１６
他の気筒についても同様であるため簡単に説明すると、＃２ＴＤＣである場合、＃４気筒の燃焼に関して低周波成分の回転変動量ΔＮＬ４と高周波成分の回転変動量ΔＮＨ４との比Ｋ４を算出し（ステップＳ１０８）、Ｋ４の平均化処理により＃４気筒の減衰学習値Ｋ４ｓｍを算出する（ステップＳ１０９）。また、＃３ＴＤＣである場合、＃１気筒の燃焼に関して低周波成分の回転変動量ΔＮＬ１と高周波成分の回転変動量ΔＮＨ１との比Ｋ１を算出し（ステップＳ１１０）、Ｋ１の平均化処理により＃１気筒の減衰学習値Ｋ１ｓｍを算出する（ステップＳ１１１）。更に、＃４ＴＤＣである場合、＃３気筒の燃焼に関して低周波成分の回転変動量ΔＮＬ３と高周波成分の回転変動量ΔＮＨ３との比Ｋ３を算出し（ステップＳ１１２）、Ｋ３の平均化処理により＃３気筒の減衰学習値Ｋ３ｓｍを算出する（ステップＳ１１３）。なお、減衰学習値Ｋ１ｓｍ〜Ｋ４ｓｍは、算出の都度バックアップＲＡＭ等に保存される。

次に、図９の燃焼トルク算出処理を説明する。図９において、先ずステップＳ２０１では、エンジン回転数Ｎｅが所定のしきい値Ｔｈ３未満であるか否かを判別する。Ｔｈ３は、エンジン回転域Ｎｅが低回転域／高回転域の何れにあるかを判定するためのしきい値であり、例えばＴｈ３＝３０００ｒｐｍである。

Ｎｅ＜Ｔｈ３の場合、ステップＳ２０２に進み、回転速度信号の低周波成分の回転変動量ΔＮＬを読み込む。続くステップＳ２０３では、前述した図６の関係を用い、回転変動量ΔＮＬに基づいて筒内圧ピーク値を算出する。この場合、図６に示す筒内圧特性Ｌ１，Ｌ２のうち低回転時用の筒内圧特性Ｌ１を用いるが、このＬ１はＮｅ＝２０００ｒｐｍ時の特性であり、その時のエンジン回転数Ｎｅと規定回転数（２０００ｒｐｍ）との偏差に応じて回転変動量ΔＮＬを補正し、該補正後のΔＮＬにより筒内圧ピーク値を算出する。このとき、ΔＮＬの補正に用いる回転数補正係数は、例えば図１１により設定されると良い。図１１では、Ｎｅ＝規定回転数であれば補正係数＝１であり、Ｎｅが大きくなるほど補正係数が小さく、逆にＮｅが小さくなるほど補正係数が大きくなるような関係が設定されている。その後、ステップＳ２０７では、前記算出した筒内圧ピーク値に基づいて燃焼トルクを算出する。

また、Ｎｅ≧Ｔｈ３の場合、ステップＳ２０４に進み、回転速度信号の高周波成分の回転変動量ΔＮＨを読み込む。続くステップＳ２０５では、前記図８の処理で算出した減衰学習値を用いて回転変動量ΔＮＨを補正する。ここで、ΔＮＨ補正処理を図１０に基づいて説明する。図１０において、ステップＳ３０１〜３０４では、今現在、何れの気筒の圧縮ＴＤＣであるかを判別する。そして、その都度何れのＴＤＣであるかに応じて、対応する気筒の回転変動量ΔＮＨを補正する。すなわち、＃１ＴＤＣである場合、＃２気筒の回転変動量ΔＮＨ２を減衰学習値Ｋ２ｓｍにより補正する（ステップＳ３０５）。＃２ＴＤＣである場合、＃４気筒の回転変動量ΔＮＨ４を減衰学習値Ｋ４ｓｍにより補正する（ステップＳ３０６）。＃３ＴＤＣである場合、＃１気筒の回転変動量ΔＮＨ１を減衰学習値Ｋ１ｓｍにより補正する（ステップＳ３０７）。＃４ＴＤＣである場合、＃３気筒の回転変動量ΔＮＨ３を減衰学習値Ｋ３ｓｍにより補正する（ステップＳ３０８）。

図９の説明に戻り、ステップＳ２０６では、前述した図６の関係を用い、回転変動量ΔＮＨに基づいて筒内圧ピーク値を算出する。この場合、図６に示す筒内圧特性Ｌ１，Ｌ２のうち高回転時用の筒内圧特性Ｌ２を用いるが、このＬ２はＮｅ＝４０００ｒｐｍ時の特性であり、その時のエンジン回転数Ｎｅと規定回転数（４０００ｒｐｍ）との偏差に応じて回転変動量ΔＮＨを補正し、該補正後のΔＮＨにより筒内圧ピーク値を算出する。このとき、前記ステップＳ２０３と同様に、図１１のような関係を用いて回転数補正係数が設定され、該補正係数によりΔＮＨが補正される。その後、ステップＳ２０７では、前記算出した筒内圧ピーク値に基づいて燃焼トルクを算出する。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

回転速度信号に含まれる、エンジン１０の燃焼サイクルに同期する低周波成分（第１周波数成分）と該低周波成分より高周波の高周波成分（第２周波数成分）とを用い、低回転域では低周波成分の回転変動量ΔＮＬにより燃焼トルクを算出し、高回転域では高周波成分の回転変動量ΔＮＨにより燃焼トルクを算出する構成とした。これにより、エンジン１０の低回転域から高回転域までの広範囲にかけて燃焼トルクを精度良く算出することができる。

高周波成分の各気筒の減衰特性を適宜学習し、減衰学習値に基づいて高周波成分の回転変動量ΔＮＨを補正する構成としたため、高周波成分の気筒間ばらつきが吸収でき、エンジン燃焼状態の検出精度を高めることができる。また、低周波成分の気筒間ばらつきの小さいエンジン低回転状態で減衰学習値を算出するようにしたため、減衰学習値が精度良く学習できる。

回転速度信号から低周波成分、高周波成分を抽出するためのＬＰＦ、ＨＰＦのカットオフ周波数をエンジン回転数Ｎｅに応じて可変としたため、エンジン回転数Ｎｅが変化しても適正に低周波成分及び高周波成分を抽出することができる。この場合、エンジン高回転域において低周波成分と高周波成分との差が小さくなっても、これら各成分が明確に分離できる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、高周波成分の気筒間ばらつきを吸収すべく、減衰学習値を算出すると共にその減衰学習値を用いて高周波成分の回転変動量ΔＮＨを補正したが、この構成を変更する。例えば、高周波成分の気筒別減衰特性データを実験等によって予め求めてそれをマップデータ等として記憶しておき、該気筒別減衰特性データに基づいて高周波成分の回転変動量ΔＮＨを気筒毎に補正する。この場合、気筒数分の減衰特性データを用意しておくことが必要となるが、本構成によっても、高周波成分の気筒間ばらつきが吸収でき、エンジン燃焼状態の検出精度を高めることができる。

上記実施の形態では、エンジン１０の低回転域では低周波成分に基づいて燃焼トルクを算出し、高回転域では高周波成分に基づいて燃焼トルクを算出したが、この構成を変更する。例えば、エンジン１０の低回転域では、回転速度信号をそのまま用いて燃焼トルクを算出するようにしても良い。要は、高回転域での燃焼トルクの算出精度を高めるべく、当該高回転域で高周波成分に基づいて燃焼トルクを算出する構成とすれば良い。

上記実施の形態では、回転角センサ４５としてレゾルバを用いたが、これに限定されない。電磁ピックアップ式の回転角センサや、磁気抵抗素子（ＭＲＥ）等を用いた回転角センサであっても良い。但し、細密な回転速度情報を取得するには、できる限りクランク角の検出間隔を小さくし、高分解能でクランク角が検出できる構成とすることが望ましい。

回転速度信号の高周波成分に基づいてエンジン１０の筒内圧ピーク位置を推定する構成としても良い。つまり、本願発明者の実験結果によれば、回転速度信号の高周波成分の回転変動が最大となる位置と筒内圧ピーク位置とには相関があることが確認された。図１２には、クランク角を横軸として筒内圧信号と回転速度信号の推移を示しており、図のＰ１が筒内圧のピーク発生位置、Ｐ２が回転速度信号の変動ピーク発生位置である。そして、筒内圧ピーク位置の推定結果を用い、点火時期から筒内圧ピーク位置までの所要時間が圧縮ＴＤＣ後の所定位置となるように点火時期を補正する。これにより、燃焼状態を適正に反映させつつ点火時期制御を実施することができる。

回転速度信号の高周波成分に基づいてエンジン１０のノック発生の有無を判定する構成としても良い。つまり、本願発明者の実験結果によれば、ノック発生時には当該ノックによる振動が回転角センサ４５の検出信号（回転速度信号）に重畳することが確認された。これは、ノックにより発生した振動がピストン等を通じてクランク軸に伝達されるためであると考えられる。このノック振動は回転速度信号の高周波成分により計測され、その計測結果からノックの有無が判定される。この場合、例えば統計手法によるノック検出手法が適用できる。簡単に説明すると、統計処理によるノック発生確率からノック仮判定を行うと共に、ノックの波形形状に基づいてノック仮判定を行い、更にそれらに基づいて最終的にノック判定を行う。

また、回転速度信号の高周波成分に基づいてエンジン１０の燃焼安定度（燃焼ラフネス）を判定する構成としても良い。つまり、前述したように高周波成分の回転変動量と筒内圧とには相関があるため、高周波成分の回転変動量に基づいて燃焼安定度の判定が可能となる。この場合、所定のサンプリング母数分の高周波成分の回転変動量をサンプリングし、該サンプリングした回転変動量に対して統計的処理を行い、その統計的処理の結果により燃焼安定度を判定する。より具体的には、１燃焼毎の回転変動量について予め定めた設定領域内のデータのみを有効とし、有効とする所定のサンプリング母数分の回転変動量の標準偏差により燃焼安定度を判定する。なお、回転変動のパラメータとしては、高周波成分のピーク値、変動量（振幅量）、変動量の積分値等を用いることができる。

燃焼状態の検出として、回転速度信号の低周波成分及び高周波成分を用いて失火の有無を検出することも可能であり、本発明によれば、その他燃焼状態全般の検出が可能となる。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 回転角センサの出力を示す波形図である。 回転速度信号のクランク角度と回転速度との関係を示す図である。 燃焼トルク算出手順の概要を説明するための機能ブロック図である。 ＬＰＦ及ぶＨＰＦのカットオフ周波数を設定するための図である。 回転速度信号の回転変動量と筒内圧ピーク値との関係を示す図である。 筒内圧ピーク値と燃焼トルクとの関係を示す図である。 減衰特性学習処理を示すフローチャートである。 燃焼トルク算出処理を示すフローチャートである。 回転変動量の補正処理を示すフローチャートである。 回転数補正係数を算出するための図である。 筒内圧信号と回転速度信号の推移を示す図である。

符号の説明

１０…エンジン、４５…回転角センサ、５０…ＥＣＵ、６２…低周波／高周波成分抽出部、６３…減衰特性学習部、６４…回転変動量補正部、６５…筒内圧算出部、６６…燃焼トルク算出部。

Claims (13)

1. 内燃機関のクランク軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記回転速度検出手段の検出により得られた回転速度信号に含まれる、内燃機関の燃焼サイクルに同期する第１周波数成分よりも高周波の第２周波数成分を抽出する手段と、
   該抽出した第２周波数成分に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出する手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼状態検出装置。
2. 所定の機関回転数よりも高回転域で前記第２周波数成分に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
3. 所定の機関回転数よりも低回転域では前記第１周波数成分に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出し、高回転域では前記第２周波数成分に基づいて内燃機関の燃焼状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
4. 多気筒内燃機関に適用され、前記第２周波数成分の気筒間の減衰特性に基づいて前記第２周波数成分の回転変動量を補正する手段を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
5. 気筒毎に算出した前記第２周波数成分の回転変動量と前記第１周波数成分の回転変動量との比較により気筒毎に前記減衰特性としての減衰学習値を算出し、該減衰学習値により前記第２周波数成分の回転変動量を補正することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
6. 内燃機関が所定の低回転状態にある場合に前記第１周波数成分と前記第２周波数成分とにより気筒毎に減衰学習値を算出することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
7. 前記第２周波数成分の気筒別減衰特性データを予め記憶しておき、該気筒別減衰特性データに基づいて前記第２周波数成分の回転変動量を気筒毎に補正することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
8. 前記回転速度信号から前記第２周波数成分を抽出するための抽出周波数帯域を機関回転数に応じて可変に設定することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
9. 前記回転速度信号から前記第１周波数成分を抽出するための抽出周波数帯域を機関回転数に応じて可変に設定することを特徴とする請求項１乃至８の何れかにに記載の内燃機関の燃焼状態検出装置。
10. 前記第２周波数成分の回転変動量に基づいて内燃機関の燃焼時に発生する燃焼トルクを推定する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに内燃機関の燃焼状態検出装置。
11. 前記第２周波数成分に基づいて内燃機関の筒内圧のピーク発生位置を推定する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに内燃機関の燃焼状態検出装置。
12. 前記第２周波数成分に基づいて内燃機関のノック発生の有無を判定する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに内燃機関の燃焼状態検出装置。
13. 前記第２周波数成分の回転変動を複数サンプリングし、該サンプリングした回転変動の統計的処理に基づいて内燃機関の燃焼安定度を判定する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに内燃機関の燃焼状態検出装置。