JP2006112306A - エンジンの仕事量を算出する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観測区間においてどの部分の筒内圧信号が検出されても、エンジンの仕事量を正確に算出することができるようにする。
【解決手段】エンジンの仕事量を算出する装置は、所定の基準区間について、エンジンの筒内圧と、所定の周波数成分で構成される基準信号との位相についての相関関係を基準位相関係として予め確立する。所与の観測区間について、エンジンの筒内圧を検出する手段が設けられる。基準位相関係が成立するように、該検出されたエンジンの筒内圧に対応する基準信号を算出する。該観測区間について、該検出されたエンジンの筒内圧と該算出された基準信号との相関係数を算出し、該相関係数に基づいて、エンジンの仕事量を算出する。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の仕事量を算出する装置に関する。

下記の特許文献１には、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）の燃焼室内の圧力（以下、筒内圧と呼ぶ）を示す信号をフーリエ級数展開して得られるフーリエ係数を用いて、図示平均有効圧を算出する手法が記載されている。
特公平８−２０３３９号公報

或る信号についてのフーリエ係数は、該信号と、対応する周波数成分で構成される基準信号との相関係数である。一般に、このような相関係数の値は、該信号をどの部分で観測するかに応じて大きく値を変えるという特性を有する。上記の従来の手法によって図示平均有効圧を算出する場合では、筒内圧信号を一定の観測区間で抽出するために、エンジンの吸気行程におけるピストンの上死点（ＴＤＣ）からの所定の角度において該筒内圧信号を取得することが必要とされる。

しかしながら、吸気行程の上死点からの所定の角度において、筒内圧信号を取得するためのトリガとなる信号が得られない場合がある。たとえば、クランク軸の回転に同期して信号を送出する機構が車両に設けられることが多いが、該機構の構成上の理由により、吸気行程の上死点から上記の所定の角度位置に該信号が送出されないことがある。該所定の角度位置にトリガとなる信号が存在しないと、観測区間の位置がずれる。観測区間の位置ずれにより、観測区間で抽出した筒内圧信号が変化する。結果として、相関係数の値に誤差が生じ、正確な図示平均有効圧を算出することができないおそれがある。

また、所定の角度位置にトリガとなる信号が得られても、筒内圧信号に位相遅れが生じれば、観測区間において検出される筒内圧信号にも位相遅れが生じる。位相遅れにより、観測区間で抽出される筒内圧信号が変化するので、やはり、相関係数の値に誤差が生じ、正確な図示平均有効圧を算出することができないおそれがある。

したがって、観測区間において、筒内圧信号のどの部分が抽出されても、図示平均有効圧のようなエンジン仕事量を正しく算出することのできる手法が望まれている。

本発明の一つの側面によると、エンジンの仕事量を算出する装置が提供される。該装置は、所定の基準区間について、エンジンの筒内圧と、所定の周波数成分で構成される基準信号との位相についての相関関係を基準位相関係として予め確立する手段と、所与の観測区間について、エンジンの筒内圧を検出する手段と、基準位相関係が成立するように、該検出されたエンジンの筒内圧に対応する上記基準信号を算出する基準信号算出手段と、観測区間について、該検出されたエンジンの筒内圧と該算出された基準信号との相関係数を算出する相関係数算出手段と、該相関係数に基づいて、エンジンの仕事量を算出する仕事量算出手段と、を備える。

この発明によると、基準区間における基準位相関係が、所与の観測区間について検出された筒内圧信号について確立されるので、所与の観測区間について、どの部分の筒内圧信号が検出されても、該観測区間から、基準区間について算出される相関係数と同じ値を持つ相関係数を算出することができる。よって、該相関係数から、エンジン仕事量を正しく算出することができる。

この発明の一実施形態においては、相関係数は、筒内圧をフーリエ級数展開したときのフーリエ係数である。

この発明の一実施形態によると、エンジンの仕事量を算出する装置は、さらに、観測区間において検出された筒内圧の、基準区間における筒内圧に対する位相遅れを算出する手段と、基準位相関係を構成する基準信号と同じ基準信号を、該観測区間に設定する手段と、該位相遅れの分だけ、観測区間に設定された該基準信号の位相を遅らせ、観測区間について検出されたエンジンの筒内圧に対応する基準信号が算出する手段と、を備える。こうして、筒内圧信号に位相遅れが生じた場合でも、基準区間について算出される相関係数と同じ値を持つ相関係数を観測区間について算出することができる。一実施形態では、該位相遅れは、検出されたエンジンの運転状態に応じて算出される。

この発明の一実施形態によると、エンジンの仕事量を算出する装置は、さらに、観測区間の開始時点の、基準区間の開始時点に対する遅れを算出する遅れ算出手段と、基準位相関係を構成する基準信号と同じ基準信号を、観測区間に設定する手段と、該遅れの分だけ、観測区間に設定された基準信号の位相を進ませて、該観測区間について検出されたエンジンの筒内圧に対応する基準信号を算出する手段と、を備える。こうして、観測区間の開始時点がずれた場合でも、基準区間について算出される相関係数と同じ値を持つ相関係数を観測区間について算出することができる。一実施形態では、該遅れは、基準区間の開始時点と観測区間の開始時点の相対的な差に応じて算出される。

この発明の他の側面によると、エンジンの仕事量を算出する装置は、該エンジンの体積変化率を周波数分解することにより得られる周波数成分について、エンジンの仕事量を算出するのに所望の成分を決定する成分決定手段と、所定の基準区間について、エンジンの筒内圧と、該所望の成分で構成される基準信号との位相についての相関関係を、基準位相関係として予め確立する手段と、基準位相関係が成立するように、所与の観測区間における筒内圧に対応する基準信号を算出する基準信号算出手段と、観測区間におけるエンジンの筒内圧と、該算出された基準信号との第１の相関係数を算出する第１の算出手段と、観測区間における体積変化率と、該算出された基準信号との第２の相関係数を算出する第２の算出手段と、第１の相関係数および第２の相関係数に基づいて、エンジンの仕事量を算出する仕事量算出手段と、を備える。

この発明によると、基準区間における基準位相関係が、所与の観測区間について検出された筒内圧信号について確立されるので、所与の観測区間について、どの部分の筒内圧信号が検出されても、該観測区間から、基準区間について算出される相関係数と同じ値を持つ相関係数を算出することができる。よって、該相関係数から、エンジン仕事量を正しく算出することができる。さらに、この発明によると、所望の成分についてのみ第１および第２の相関係数を算出すればよい。所与のエンジンに適合するよう所望の成分を決定することができるので、任意の構造を持つエンジンについて仕事量を算出することができる。さらに、所望の成分を抽出することができる程度にまで、筒内圧のサンプリング周波数を低減することができる。

この発明の一実施形態では、さらに、エンジンの行程体積を変更する機構と、該行程体積を求める行程体積算出手段を備える。行程体積、第１の相関係数および第２の相関係数に基づいて、エンジンの仕事量を算出する。こうして、行程体積の変化するエンジンについて、より正確にエンジンの仕事量を算出することができる。

この発明の一実施形態では、エンジンの運転状態を検出する手段をさらに備え、該検出されたエンジンの運転状態に従って、該所望の成分を決定する。こうして、所望の成分を、エンジンの運転状態に従って適切に決定することができる。

この発明の一実施形態では、エンジンの仕事量は、図示平均有効圧を含む、

本発明を実施するための最良の形態

次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態に従う、エンジンおよびその制御装置の全体的な構成図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１ｂを備えるコンピュータである。ＥＣＵ１は、メモリ１ｃを備えており、該メモリ１ｃは、車両の様々な制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよび該プログラムの実施に必要なマップを格納する読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）と、ＣＰＵ１ｂの演算のための作業領域を提供し、プログラムおよびデータを一時的に格納するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を備えている。さらに、ＥＣＵ１は、車両の各部から送られてくるデータを受け取入れる入力インターフェース１ａ、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース１ｄを備えている。

エンジン２は、この実施例では４サイクルのエンジンである。エンジン２は、吸気弁３を介して吸気管４に連結され、排気弁５を介して排気管６に連結されている。ＥＣＵ１からの制御信号に従って燃料を噴射する燃料噴射弁７が、吸気管４に設けられている。

エンジン２は、吸気管４から吸入される空気と、燃料噴射弁７から噴射される燃料との混合気を、燃焼室８に吸入する。燃料室８には、ＥＣＵ１からの点火時期信号に従って火花を飛ばす点火プラグ９が設けられている。点火プラグ９によって発せられた火花により、混合気は燃焼する。燃焼により混合気の体積は増大し、これによりピストン１０を下方に押し下げる。ピストン１０の往復運動は、クランク軸１１の回転運動に変換される。

筒内圧センサ１５は、例えば圧電素子からなるセンサであり、点火プラグ９のエンジンシリンダに接する部分に埋没されている。筒内圧センサ１５は、燃焼室８内の圧力（筒内圧）の変化を示す信号を出力し、それをＥＣＵ１に送る。ＥＣＵ１は、該筒内圧変化を示す信号を積分して、筒内圧を示す信号Ｐを生成する。

エンジン２には、クランク角センサ１７が設けられている。クランク角センサ１７は、クランクシャフト１１の回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（たとえば、３０度）で出力されるパルス信号である。ＥＣＵ１は、該ＣＲＫ信号に応じ、エンジン２の回転数ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、ピストン１０のＴＤＣ位置に関連したクランク角度で出力されるパルス信号である。

エンジン２の吸気管４には、スロットル弁１８が設けられている。スロットル弁１８の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号により制御される。スロットル弁１８に連結されたスロットル弁開度センサ（θＴＨ）１９は、スロットル弁１８の開度に応じた電気信号を、ＥＣＵ１に供給する。

吸気管圧力（Ｐｂ）センサ２０は、スロットル弁１８の下流側に設けられている。Ｐｂセンサ２０によって検出された吸気管圧力ＰｂはＥＣＵ１に送られる。

スロットル弁１８の上流には、エアフローメータ（ＡＦＭ）２１が設けられている。エアフローメータ２１は、スロットル弁１８を通過する空気量を検出し、それをＥＣＵ１に送る。

可変圧縮比機構２６は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って、燃焼室内の圧縮比を変更することができる機構である。可変圧縮比機構２６は、任意の既知の手法により実現することができる。たとえば、油圧を利用してピストンの位置を変更することにより、運転状態に応じて圧縮比を変更する手法が提案されている。

圧縮比センサ２７が、ＥＣＵ１に接続されている。圧縮比センサ２７は、燃焼室の圧縮比Ｃｒを検出し、それをＥＣＵ１に送る。

ＥＣＵ１に向けて送られた信号は入力インターフェース１ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１ｂは、変換されたデジタル信号を、メモリ１ｃに格納されているプログラムに従って処理し、車両のアクチュエータに送るための制御信号を作り出すことができる。出力インターフェース１ｄは、これらの制御信号を、燃料噴射弁７、点火プラグ９、スロットル弁１８、およびその他の機械要素のアクチュエータに送る。また、ＣＰＵ１ｂは、該変換されたデジタル信号を用いて、メモリ１ｃに格納されているプログラムに従い、エンジンの仕事量を算出することができる。

エンジンの仕事量を表す指標として、図示平均有効圧が用いられることがある。平均有効圧は、エンジンの１燃焼サイクルにおける仕事を行程体積で割ったものを示す。図示平均有効圧は、該平均有効圧から、冷却損失、不完全燃焼および機械的なフリクションなどを引いたものを示す。これらの指標は、エンジンの総行程体積（エンジン排気量）の異なる機種間の性能差を評価するのに用いられることがある。

図２を参照すると、１燃焼サイクルにおける、エンジンの燃焼室の体積Ｖと筒内圧Ｐとの関係（ＰＶ線図と呼ばれる）が示されている。点Ｐにおいて、吸気弁が開き、吸気行程が開始する。筒内圧は、ピストンが上死点ＴＤＣにある点Ｎを経て、最小値である点Ｕに至るまで減少する。その後、ピストンが下死点ＢＤＣにある点Ｋを経て、筒内圧は増加する。点Ｑにおいて圧縮行程が開始し、筒内圧は増加し続ける。点Ｒにおいて燃焼行程が開始する。混合気の燃焼により筒内圧は急激に増加し、点Ｓにおいて、筒内圧は最大になる。混合気の燃焼により、ピストンは押し下げられ、点Ｍで示されるＢＤＣに向かって移動する。この移動により、筒内圧は減少する。点Ｔにおいて排気弁が開き、排気行程が開始する。排気行程では、筒内圧はさらに減少する。

図示平均有効圧は、図に示される曲線で囲まれる面積を、ピストンの行程体積で割ることにより求められる。

以下の実施例では、図示平均有効圧を算出する手法を示す。エンジンの仕事量という用語には、本発明に従う手法によって算出される図示平均有効圧に基づいて算出されることのできる他の指標、たとえば、平均有効圧、正味平均有効圧、エンジントルク等が含まれる点に注意されたい。

この明細書では、好ましい実施例を２つ挙げて本願発明を説明するが、この２つの実施例において、本願発明の原理は同じである。最初に、図３を参照して、その原理を説明する。

図３の（ａ）を参照すると、筒内圧信号３１が示されており、基準区間および基準信号３２が設定されている。基準区間は、この例では、吸気行程の上死点（ＴＤＣ）で開始し、その長さは、１燃焼サイクルの長さに相当するよう設定される。代替的に、他のタイミングで開始するよう基準区間を設定してもよい。基準信号は、この例では、基準区間の開始時点でゼロ値を持つ１次のｓｉｎ関数（＝ｓｉｎ（２π／Ｎ）ｎ（この式の意味は後述される））である。

基準区間について、筒内圧信号３１と基準信号３２との位相についての相関関係（以下、基準位相関係と呼ぶことがある）を表す相関係数が算出される。図示平均有効圧は、この相関係数に基づいて算出される。この発明は、所与の観測区間で観測された筒内圧信号について該基準位相関係を確立する。基準位相関係の確立により、基準区間について算出される相関係数と同じ値を持つ相関係数を、該観測区間から求めることができる。こうして、該観測区間でどの部分の筒内圧信号が観測されても、図示平均有効圧を正確に算出することができるようにする。

図３の（ｂ）を参照すると、或る観測区間Ａが設定されている。観測区間Ａの燃焼サイクル中の開始タイミングは、基準区間の燃焼サイクル中の開始タイミングと一致している。しかしながら、観測区間Ａ内の筒内圧信号３３は、基準区間内の筒内圧信号３１よりもｔｄだけ位相が遅れている。

（ｂ）において、（ａ）のような基準位相関係を確立する。そのため、観測区間Ａに、基準区間について設定された基準信号３２と同じ基準信号を設定する。具体的には、観測区間Ａの開始時点においてゼロ値を持つ１次のｓｉｎ関数が設定される（点線）。該設定された基準信号３２を、矢印３５の方に、位相遅れｔｄだけ位相シフトする。該位相シフトにより、基準信号３４が得られる。観測区間Ａをｔｄだけ遅らせた時点から開始する区間Ｒを注目すると、区間Ｒでは、（ａ）のような基準位相関係が確立されていることがわかる。このような基準位相関係の確立により、観測区間Ａについての筒内圧信号３３と基準信号３４との位相についての相関関係と、基準区間についての筒内圧信号３１と基準信号３２との位相についての相関関係とが同じになる。したがって、観測区間Ａについての筒内圧信号３３と基準信号３４との相関係数は、基準区間について算出される相関係数と同じ値を持つ。

このように、筒内圧信号に位相遅れが生じている場合には、観測区間に設定される基準信号の位相を、該位相遅れの分だけ遅らせる。該位相が遅らされた基準信号と、観測区間について観測された筒内圧信号との相関係数を算出することにより、図示平均有効圧を正しく算出することができる。

図３の（ｃ）を参照すると、（ａ）に示される筒内圧信号３１と同じ位相を持つ筒内圧信号３６が示されている。或る観測区間Ｂが設定されており、観測区間Ｂの燃焼サイクル中の開始タイミングは、基準区間の燃焼サイクル中の開始タイミングに対して、ｔａだけ遅れている。

（ｃ）において、（ａ）のような基準位相関係を確立する。そのため、観測区間Ｂに、基準区間について設定された基準信号３２と同じ基準信号を設定する。具体的には、観測区間Ｂの開始時点においてゼロ値を持つ１次のｓｉｎ関数が設定される（点線）。該設定された基準信号３２の位相を、矢印３８の方向に、遅れｔａだけ進ませ、基準信号３７を得る。観測区間Ｂを位相ｔａだけ進ませた時点から開始する区間Ｒを注目すると、区間Ｒでは、（ａ）のような基準位相関係が確立されていることがわかる。基準位相関係の確立により、観測区間Ｂについての筒内圧信号３６と基準信号３７との位相についての相関関係と、基準区間についての筒内圧信号３１と基準信号３２との位相についての相関関係とが同じになる。したがって、観測区間Ｂについての筒内圧信号３６と基準信号３７との相関係数は、基準区間について算出される相関係数と同じ値を持つ。

このように、観測区間の開始時点が基準区間に対して相対的に遅れた場合には、観測区間について設定される基準信号の位相を、該開始時点の遅れの分だけ進ませる。該位相が進まされた基準信号と、観測区間について観測された筒内圧信号との相関係数を算出することにより、図示平均有効圧を正確に算出することができる。

以下では、図３の（ｂ）に示されるようなケースを第１の実施例として詳細に説明し、図３の（ｃ）に示されるようなケースを第２の実施例として詳細に説明する。

図示平均有効圧Ｐｍｉは、図２に示されるようなＰＶ線図を一周積分することで算出されることができ、該算出式は、式（１）のように表されることができる。積分区間は、１燃焼サイクルに相当する期間であるが、積分区間の開始は、任意の時点に設定することができる点に注意されたい。

式（１）を離散化したものが式（２）に示されており、式（２）のｍは、演算サイクルを示す。Ｖｓは、１気筒の行程体積を示し、ｄＶは、該気筒の体積変化率を示す。Ｐは、前述したように、筒内圧センサ１５（図１）からの出力に基づいて得られる、筒内圧を示す信号である。

式（１）に示すように、図示平均有効圧Ｐｍｉは、筒内圧信号Ｐと体積変化率ｄＶの相関係数として表される。体積変化率ｄＶを実質的に構成する周波数成分は限られているので（詳細は、後述される）、該周波数成分のみについて両者の相関係数を算出すれば、図示平均有効圧Ｐｍｉを算出することができる。

体積変化率ｄＶを周波数分解するため、体積変化率ｄＶを式（３）のようにフーリエ級数展開する。ｔは時間を示す。Ｔは、エンジンのクランク軸の回転の周期を示し（以下、クランク周期と呼ぶ）、ωはその角周波数を示す。４サイクルエンジンでは、１周期Ｔは、３６０度に対応する。ｋは、該エンジン回転の周波数成分の次数を示す。

式（３）を式（１）に適用すると、式（４）が導かれる。θ＝ωｔである。

一方、筒内圧信号Ｐをフーリエ級数展開すると、該筒内圧信号のフーリエ係数ＰａｋおよびＰｂｋは、式（５）のように表されることができる。筒内圧信号の１周期Ｔｃは、１燃焼サイクルの長さに相当する。４サイクルエンジンでは、１燃焼サイクルが７２０度のクランク角に対応するので、周期Ｔｃは、クランク周期Ｔの２倍である。したがって、式（５）におけるθｃは、４サイクルエンジンでは（θ／２）となる。ｋｃは、筒内圧信号の周波数成分の次数を表す。

式（４）には、ｃｏｓθ、ｃｏｓ２θ、、、ｓｉｎθ、ｓｉｎ２θ、、、の成分が現れている。式（５）において、ｋｃ＝２ｋとすることにより、これらの成分のフーリエ係数ＰａｋおよびＰｂｋを得ることができる。すなわち、４サイクルエンジンでは、図示平均有効圧Ｐｍｉを算出するのに、体積変化率のフーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋに関する周波数成分１次、２次、３次、、、（ｋ＝１，２，３．．．）に対し、筒内圧信号のフーリエ係数ＰａｋおよびＰｂｋに関する周波数成分は、２次、４次、６次、、、（ｋｃ＝２，４，６．．．）があればよい。ｋｃ＝２ｋとすると、式（５）は、式（６）のように表される。

式（４）に式（６）を適用すると、式（７）が導かれる。ここで、式（４）の“Ｖａ_０”はほぼゼロである（この理由については、後述される）。

式（７）には、行程体積Ｖｓ、体積変化率ｄＶに関するフーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋが含まれている。したがって、行程体積Ｖｓおよびクランク角に対する体積変化率ｄＶの波形が変化するエンジンについても、図示平均有効圧Ｐｍｉをより正確に算出することができる。

式（７）は、４サイクルエンジンについての式であるが、２サイクルエンジンについても上記と同様の手法で算出されることができることは、当業者には明らかであろう。２サイクルエンジンでは、Ｔｃ＝Ｔ、θｃ＝θが成立する。

式（６）で表される、筒内圧のフーリエ係数ＰａｋおよびＰｂｋは、連続時間系の式である。デジタル処理に適した離散系に変形すると、式（８）のように表される。ここで、Ｎは、クランク周期Ｔにおけるサンプリング数を示す。積分区間は１燃焼サイクルに相当する長さであり、該１燃焼サイクルでのサンプリング数は、２Ｎである。ｎは、サンプリング番号を示す。Ｐｎは、ｎ番目のサンプリングにおける筒内圧を示す。

式（９）は、式（７）および式（８）をまとめたものである。

この実施例では、式（９）に示されるように、筒内圧のフーリエ係数ＰａｋおよびＰｂｋは、検出された筒内圧のサンプルＰｎに応じて逐次的に算出される。行程体積Ｖｓと、体積変化率のフーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋは、予め算出され、ＥＣＵ１のメモリ１ｃ（図１）に記憶されている。

エンジンの特性に従い、エンジンの運転状態に対応する行程体積Ｖｓおよび体積変化率ｄＶの波形が決まる。したがって、エンジンの運転状態に対応する行程体積Ｖｓおよび体積変化率ｄＶをシミュレーション等によって予め求めることができる。この実施例では、エンジンの運転状態に対応する行程体積Ｖｓ、フーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋを、メモリ１ｃに予め記憶する。

代替的に、体積変化率が検出されることに応じて、逐次的にフーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋを計算するようにしてもよい。該計算式を、式（１０）に示す。ここで、積分区間は１クランク周期Ｔである。Ｖｎは、ｎ番目のサンプリングで得られた体積変化率を示し、ここに、検出された体積変化率が代入される。

積分区間は、２クランク周期、すなわち１燃焼サイクルに相当する長さでもよい。この場合、式（１１）のようにして、体積変化率のフーリエ係数を算出することができる。計算結果は、式（１０）と同じである。

ここで、フーリエ係数を観察する。式（８）から明らかなように、筒内圧についてのフーリエ係数のそれぞれは、筒内圧信号Ｐと、体積変化率ｄＶの周波数分解により得られる周波数成分で構成される信号との相関係数である。同様に、式（１０）から明らかなように、体積変化率についてのフーリエ係数のそれぞれは、体積変化率信号ｄＶと、体積変化率ｄＶの周波数分解により得られる周波数成分で構成される信号との相関係数である。たとえば、フーリエ係数Ｐａ１は、筒内圧信号Ｐとｃｏｓθとの相関係数である。体積変化率Ｖｂ２は、体積変化率信号ｄＶとｓｉｎ２θとの相関係数である。

このように、筒内圧についてのフーリエ係数のそれぞれは、対応する周波数成分について抽出された筒内圧信号であり、体積変化率についてのフーリエ係数のそれぞれは、対応する周波数成分について抽出された体積変化率信号を表している。前述したように、体積変化率ｄＶを実質的に構成する周波数成分は限られているので、該限られた周波数成分について抽出された筒内圧信号および体積変化率信号のみを用いて、図示平均有効圧Ｐｍｉを算出することができる。

この実施例では、体積変化率を実質的に構成する周波数成分についての筒内圧信号および体積変化率信号を抽出するのに、フーリエ級数展開を用いる。しかしながら、他の手法を用いて、該抽出を行ってもよい。

図４〜図６を参照して、式（９）を検証する。図４の（ａ）は、クランク角に対する体積変化率ｄＶの波形が一定である（言い換えると、行程体積が一定であり、よって体積変化率ｄＶの挙動の態様が一種類である）通常のエンジンにおける体積変化率ｄＶの波形４１と、該体積変化率ｄＶの波形と同一の周期を持ったｓｉｎ関数の波形４２（振幅は、行程体積の大きさに依存する）とを示す。この例では、フーリエ係数の観測区間Ａは、吸気行程のＴＤＣ（上死点）から開始する１燃焼サイクルであり、ｓｉｎ関数は、該観測区間Ａの開始においてゼロの値を持つよう設定されている。

図から明らかなように、両者の波形は非常に類似している。これは、体積変化率ｄＶをｓｉｎ関数で表すことができる、ということを示す。体積変化率ｄＶは、ｓｉｎ関数に対し、オフセットおよび位相差をほとんど持たない。したがって、体積変化率の周波数成分には、直流成分ａ０およびｃｏｓ成分がほとんど現れないと予測することができる。

図４の（ｂ）は、このようなエンジンの体積変化率ｄＶをＦFＴ解析した結果を示す。参照符号４３は、エンジン回転の１次の周波数成分を示すラインであり、参照符号４４は、エンジン回転の２次の周波数成分を示すラインである。この解析結果からわかるように、体積変化率ｄＶは、主に、エンジン回転の１次および２次の周波数成分を持つにすぎない。

図５の（ａ）は、図４の（ａ）に示す観測区間Ａについて、実際に算出した体積変化率ｄＶのフーリエ係数の一例を示す。図５の（ｂ）は、（ａ）における各成分についてのフーリエ係数の大きさをグラフで表したものである。直流成分Ｖａ０および位相がずれたｃｏｓ成分Ｖａｋ（ｋ＝１、２、．．．）が、ほぼゼロであることがわかる。また、３次以上の高調波成分（ｋ≧３）も、ほぼゼロであることがわかる。

このように、体積変化率の波形が変化しないエンジンにおいては、体積変化率ｄＶが、エンジン回転の１次および２次の周波数成分を主に含み、さらにそれらのｓｉｎ成分から構成されていることがわかる。言い換えると、体積変化率ｄＶのフーリエ係数のうち、１次および２次のｓｉｎ成分以外は省略することができる。これを考慮すると、式（９）は、式（１２）のように表すことができる。

可変圧縮比機構の中には、エンジンの運転状態に応じて行程体積を変化させ、よってクランク角に対する体積変化率ｄＶの波形を変化させるものがある。図６の（ａ）は、図１に示される可変圧縮比機構２６が、このような特性を持つ場合の、或る運転状態における体積変化率ｄＶの波形６１（実線）を示す。該体積変化率ｄＶの波形６１と同一の周期を持ったｓｉｎ関数の波形６２が示されている。図４の（ａ）と同様に観測区間Ａが設定されており、ｓｉｎ関数は該観測区間Ａの開始時点でゼロを持つよう設定されている。

体積変化率ｄＶの波形６１は、ｓｉｎ関数の波形６２よりも歪んでおり、ｓｉｎ成分だけでなく、ｃｏｓ成分も含んでいることが予想される。図６の（ｂ）は、観測区間Ａについて算出された、図６の（ａ）に示す体積変化率ｄＶの各成分におけるフーリエ係数の値を示す。１次および２次のｓｉｎ成分、および１次および２次のｃｏｓ成分により、体積変化率ｄＶを良好に表せることがわかる。したがって、図示平均有効圧Ｐｍｉは、式（１３）のように表せる。式中の行程体積Ｖｓには、検出されたエンジンの運転状態に対応する値が代入される。

このように、この実施例の手法によれば、体積変化率および筒内圧のフーリエ係数を、すべての成分（すなわち、すべての次数のｓｉｎ／ｃｏ成分）について算出する必要がない。所望の成分、好ましくは図示平均有効圧を所定の精度で算出するための成分についてのフーリエ係数を求めればよい。図４の例では、体積変化率ｄＶの１次および２次のｓｉｎ成分のフーリエ係数Ｖｂ１およびＶｂ２、および筒内圧Ｐの１次および２次のｓｉｎ成分のフーリエ係数Ｐｂ１およびＰｂ２のみを求めればよい。図６の例では、体積変化率ｄＶの１次および２次のｓｉｎおよびｃｏｓ成分のフーリエ係数Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖａ１およびＶａ２と、筒内圧Ｐの１次および２次のｓｉｎおよびｃｏｓ成分のフーリエ係数Ｐｂ１、Ｐｂ２、Ｐａ１およびＰａ２のみを求めればよい。所望の成分を決定することにより、計算すべきフーリエ係数の数が抑制され、図示平均有効圧Ｐｍｉの計算負荷を低減することができる。

図示平均有効圧の算出に所望とされる成分を、シミュレーション等を介して予め決定することができる。一実施形態では、エンジンの運転状態に応じて、該所望の成分についてのフーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋおよび行程体積Ｖｓが、メモリ１ｃ（図１）に予め記憶される。図示平均有効圧を算出するのに、該メモリ１ｃを参照して、所望の成分についての体積変化率のフーリエ係数および行程体積を抽出することができる。このように、体積変化率のフーリエ係数および行程体積については事前に算出されている値を用いて図示平均有効圧を算出するので、該図示平均有効圧を算出するための計算負荷を軽減することができる。

上記の手法によると、予め決められた任意の観測区間においての体積変化率のフーリエ級数展開から所望の成分を決定し、該所望の成分に従って筒内圧のフーリエ係数と体積変化率のフーリエ係数を求めることにより図示平均有効圧を算出する。したがって、筒内圧および体積変化率のフーリエ係数の算出を、上記の予め決められた任意の観測区間で行う限り、該観測区間は任意に設定することができる。図４および図６に示す例では、観測区間Ａの開始時点が吸気行程のＴＤＣであるが、観測区間は、吸気行程のＴＤＣ以外の時点から開始してもよい。

しかしながら、観測区間で観測される筒内圧信号に位相遅れが生じることがある。図７の（ａ）を参照すると、筒内圧信号７１の一例が示されており、図示平均有効圧は、ｔ１の時点におけるトリガ信号７５に応答して、観測区間Ａが開始する。図示平均有効圧Ｐｍｉは、観測区間Ａについて算出される。観測区間Ａは、基準区間と同じ長さを持ち、典型的には１燃焼サイクルの長さに等しい。図７の（ｂ）は、筒内圧信号に位相遅れが生じた場合を示し、筒内圧信号７２は、（ａ）の筒内圧信号７１よりも位相がｔｄだけ遅れている。

このような位相遅れは、例えば次のような要因で生じる。図１に示すような筒内圧センサ１５（図１）は、直接燃焼室に面していない。筒内圧センサの受圧部が、該燃焼室に連通して設けられた受圧室に面している。受圧室の圧力変化は、燃焼室の圧力変化に対してむだ時間を有している。エンジン回転数が増大するにつれ１燃焼サイクルの時間が短くなるので、該むだ時間の１燃焼サイクルに対する相対時間が増える。また、該むだ時間は、筒内圧の増減すなわちエンジン負荷に応じても変化する。このようなむだ時間は、筒内圧信号に位相遅れを生じさせるおそれがある。

図８を参照すると、（ａ）には、図７の（ｂ）に示される、筒内圧信号７１と、該信号７１に対して位相遅れｔｄが生じた筒内圧信号７２が示されている。（ｂ）の参照符号７３は、基準信号を示しており、この例では、観測区間Ａの開始でゼロ値を持つ１次ｓｉｎ関数（＝ｓｉｎ（２π／Ｎ）ｎ）である。式（９）に示されるように、１次のｓｉｎ関数は、フーリエ係数Ｐｂ１に含まれる点に注意されたい。筒内圧信号７２とｓｉｎ関数７３の位相についての相関関係が、筒内圧信号７１とｓｉｎ関数７３の位相についての相関関係と異なることがわかる。結果として、筒内圧信号７２とｓｉｎ関数７３に基づいて算出されるフーリエ係数Ｐｂ１は、筒内圧信号７１とｓｉｎ関数７３に基づいて算出されるフーリエ係数Ｐｂ１に対して誤差を含む。

図８の（ｃ）の参照符号７６は、筒内圧信号７１とｓｉｎ関数７３基づくフーリエ係数を用いて算出された図示平均有効圧を示し、これは、正しい値を示す。参照符号７７は、筒内圧信号７２とｓｉｎ関数７３に基づくフーリエ係数を用いて算出された図示平均有効圧を示し、これは、誤差を含む。

このように、筒内圧信号の位相遅れに起因して筒内圧のフーリエ係数に誤差が含まれると、筒内圧のフーリエ係数と体積変化率のフーリエ係数の相関関係が変動し、これは、図示平均有効圧に誤差を生じさせる。

図９を参照して、このような誤差を回避する手法を説明する。図９の（ａ）には、点線８１に囲まれるように、基準区間における筒内圧信号８２と基準信号８３間の基準となる位相関係が示されている。この基準位相関係は、所定の基準区間にわたって筒内圧信号を観測し、該観測した時の筒内圧信号８２と、該基準区間の開始時点においてゼロを持つ１次のｓｉｎ関数８３（＝ｓｉｎ（２π／Ｎ）ｎ）とにより予め決められることができる。

図９の（ｂ）は、所与の観測区間Ａについて検出された筒内圧信号８４を示す。観測区間Ａの燃焼サイクル中における開始時点は、基準区間の燃焼サイクル中における開始時点に一致している（この例では、吸気行程の上死点）。筒内圧信号に位相遅れが生じた結果、観測区間Ａにおける筒内圧信号８４は、基準区間における筒内圧信号８２に対して、ｔｄだけ位相が遅れている。

（ｂ）において、（ａ）のような基準位相関係を確立するため、観測区間Ａに、基準位相関係を構成する基準信号と同じ基準信号を設定する。すなわち、観測区間の開始時点でゼロを持つ１次のｓｉｎ関数８５が、基準信号として観測区間Ａに設定される。基準信号８５の位相をｔｄだけ遅らせて、基準信号８６を得る。観測区間Ａに対してｔｄ遅れた時点から開始する区間Ｒを参照すると、（ａ）のような基準位相関係が確立されていることがわかる。こうして、検出された筒内圧信号について、基準位相関係を確立することができる。

基準位相関係が確立されたので、観測区間Ａについての筒内圧信号８４と基準信号８６とのフーリエ係数は、基準区間についての筒内圧信号８２と基準信号８３とのフーリエ係数と同じ値を持つ。したがって、観測区間Ａについて、検出された筒内圧信号８４と基準信号８６とのフーリエ係数を算出することにより、基準区間についてのフーリエ係数を求めることができる。

このように、観測区間で検出された筒内圧信号がどのような位相遅れを呈していても、該観測区間から、基準区間についてのフーリエ係数、すなわち誤差の無いフーリエ係数を求めることができる。フーリエ係数に誤差が含まれないので、図示平均有効圧を正確に算出することができる。

図には、基準信号として１次のｓｉｎ関数が示されているので、対応するフーリエ係数はＰｂ１である。他のフーリエ係数についても、対応するｓｉｎ／ｃｏｓ関数を位相シフトすることにより、算出することができる。

このように、所望の成分についてのフーリエ係数を算出する際、基準区間には、該所望の成分のいずれかで構成される基準信号を設定するのが好ましい。たとえば、１次および２次のｓｉｎ成分に対応するフーリエ係数Ｐｂ１およびＰｂ２を算出するときは、１次のｓｉｎ関数または２次のｓｉｎ関数のいずれかで、基準信号を構成するのが好ましい。１次のｓｉｎ関数または２次のｓｉｎ関数の一方について位相を遅らせる量が求まれば、他方についても同様の位相シフトを行うことにより、フーリエ係数Ｐｂ１およびＰｂ２の両方を算出することができる。

代替的に、基準区間に設定する基準信号を、所望の成分とは異なる成分（図９の例では、他の次数のｓｉｎ関数およびｃｏｓ関数）で構成してもよい。たとえば、所望の成分が２次のｓｉｎ成分であり、基準信号として１次のｃｏｓ関数（＝ｃｏｓ（２π／Ｎ）ｎ）を用いる場合を考える。観測区間には、２次のｓｉｎ関数（＝ｓｉｎ２（２π／Ｎ）ｎ）が設定される。基準位相関係、すなわち基準区間における筒内圧信号と１次のｃｏｓ関数との間の位相関係と同じ位相関係が、観測区間について観測された筒内圧について成立するように、２次のｓｉｎ関数の位相が遅らされる。こうして、観測区間における筒内圧信号と２次のｓｉｎ関数とから、フーリエ係数Ｐｂ２を算出することができる。

基準信号を、基準区間の開始時点で、ゼロ以外の値を持つよう設定してもよい。たとえば、ｓｉｎ（（２π／Ｎ）ｎ−α）で表される基準信号を基準区間に設定するとき（αは所定値）、基準信号は、基準区間の開始時点に対してαの位相差を持つことになる。観測区間には、観測区間の開始時点に対して同じ位相差を持つように、基準信号が設定される。これにより、基準位相関係を成立させることができる。

周波数によって筒内圧信号の位相遅れの大きさが異なる場合には、周波数ごとに位相遅れの大きさを調べ、該周波数に対応する基準信号（ｓｉｎ／ｃｏｓ関数）の位相シフトを行うのが好ましい。

図１０は、第１の実施例に従う、図示平均有効圧Ｐｍｉを算出する装置のブロック図である。

ＥＣＵのメモリ１ｃには、エンジンの圧縮比に対応して、予め算出された行程体積Ｖｓおよび所望の成分の体積変化率フーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋが記憶されている。圧縮比Ｃｒに対応する行程体積Ｖｓを規定するマップを図１１の（ａ）に示し、圧縮比Ｃｒに対応する所望の成分のフーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋの値を規定するマップの一例を、図１１の（ｂ）に示す。

運転状態検出部１０１は、圧縮比センサ２７（図１）の出力に基づいて、エンジンの現在の圧縮比Ｃｒを検出する。パラメータ抽出部１０２は、該検出された圧縮比Ｃｒに基づいて図１１の（ｂ）のようなマップを参照し、筒内圧および体積変化率のフーリエ係数についての所望の成分を判断する。この例では、フーリエ係数Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖａ１およびＶａ２が規定されている。したがって、所望の成分は、１次および２次のｓｉｎ成分と、１次および２次のｃｏｓ成分と判断される。

所望の成分が１次および２次のｓｉｎ成分と１次および２次のｃｏｓ成分なので、図示平均有効圧は、上記の式（１３）に従って算出される。便宜上、式（１３）を式（１４）〜（１８）のように書き換える。

パラメータ抽出部１０２は、所望の成分を判断すると同時に、これらの成分について、検出された圧縮比に対応する体積変化率フーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋの値を抽出する。この例では、Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖｂ１およびＶｂ２が抽出される。

パラメータ抽出部１０２は、さらに、図１１の（ａ）に示すようなマップを参照し、該検出された圧縮比Ｃｒに対応する行程体積Ｖｓを抽出する。

運転状態検出部１０１は、さらに、筒内圧センサ１５（図１）の出力に基づいて、筒内圧Ｐを算出する。サンプリング部１０３は、こうして算出された筒内圧Ｐを、所定の周期でサンプリングして、筒内圧のサンプルＰｎを取得する。一例では、３０度のクランク角度ごとにサンプリングされ、よって式（９）中のＮは、２４（＝７２０／３０）である（７２０は、１燃焼サイクルのクランク角度である）。

位相シフト部１０４は、パラメータ抽出部１０２から、所望とされる成分の種類を受け取り、これらの成分について位相シフト量を求める。この例では、式（１５）から（１８）に示すように、基準区間について設定される基準信号が、1次のｓｉｎ関数ｆｓｉｎ１（ｎ）、２次のｓｉｎ関数ｆｓｉｎ２（ｎ）、１次のｃｏｓ関数ｆｃｏｓ１（ｎ）および２次のｃｏｓ関数ｆｃｏｓ２（ｎ）である。位相シフト量は、それぞれの基準信号について求められる。

筒内圧信号の位相遅れの量は、エンジンの運転状態に基づいて算出されることができる。この実施例では、エンジンの運転状態に応じた量だけ位相シフトされた基準信号ｆｓｉｎ１、ｆｓｉｎ２、ｆｃｏｓ１およびｆｃｏｓ２が、マップとして予め記憶されている。位相シフト部１０４は、検出された目標吸気量Ｇｃｙｌ＿ｃｍｄおよび検出されたエンジン回転数ＮＥに基づいて、該マップを参照し、位相シフトされたｆｓｉｎ１（ｎ）、ｆｓｉｎ２（ｎ）、ｆｃｏｓ１（ｎ）およびｆｃｏｓ２（ｎ）を求める。これらのマップは、予めメモリ１ｃ（図１）に記憶される。

図１２には、ｆｓｉｎ１およびｆｓｉｎ２についてのマップの例が示されている。（ａ１）および（ａ２）は、目標吸気量Ｇｃｙｌ＿ｃｍｄが所定値より小さい場合における、ｆｓｉｎ１およびｆｓｉｎ２を示す。（ｂ１）および（ｂ２）は、目標吸気量Ｇｃｙｌ＿ｃｍｄが該所定値より大きい場合における、ｆｓｉｎ１およびｆｓｉｎ２を示す。ｆｃｏｓ１およびｆｃｏｓ２は、ｆｓｉｎ１およびｆｓｉｎ２を９０度進ませたものであり、計算により算出してもよいし、マップに規定してもよい。

（ａ１）のマップを例にとって説明すると、エンジン回転数ＮＥが高くなるにつれ、筒内圧信号Ｐのむだ時間が増大するので、ｆｓｉｎ１は遅らされる。また、負荷が上昇するほど、すなわち目標吸気量Ｇｃｙｌ＿ｃｍｄが増大するほど、気筒の受圧室へのガス交換の影響によるむだ時間が短くなるので、ｆｓｉｎ１は進まされる。ｆｓｉｎ２についても同様に規定される。

筒内圧フーリエ係数決定部１０５は、筒内圧のサンプルＰｎと、位相シフト部１０４により位相シフトされたｓｉｎ関数およびｃｏｓ関数に基づいて、筒内圧のフーリエ係数ＰａｋおよびＰｂｋを算出する。この例では、位相シフト部１０４により位相シフトされたｆｓｉｎ１（ｎ）、ｆｓｉｎ２（ｎ）、ｆｃｏｓ１（ｎ）、ｆｃｏｓ２（ｎ）を上記の式（１５）〜（１８）にそれぞれ代入し、フーリエ係数Ｐｂ１、Ｐｂ２、Ｐａ１およびＰａ２を算出する。

演算部１０６は、筒内圧のフーリエ係数ＰａｋおよびＰｂｋ、体積変化率のフーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋ、および行程体積Ｖｓを用い、図示平均有効圧Ｐｍｉを算出する。この例では、式（１４）に従って図示平均有効圧Ｐｍｉが算出される。

代替的に、パラメータ抽出部１０２は、目標圧縮比に基づいて、図１１の（ａ）および（ｂ）に示されるようなマップを参照してもよい。しかしながら、典型的には、圧縮比を変更することのできる圧縮比可変機構は遅れを持つことがあるので、実圧縮比に基づいて、体積変化率のフーリエ係数を求めるのが好ましい。

図１３は、第１の実施例に従う、図示平均有効圧の算出結果を示す。（ａ）は、図８の（ａ）に示されるものと同じである。（ｂ）を参照すると、筒内圧信号７１とｓｉｎ関数７３との相関関係が、筒内圧信号７２についても確立されるように、ｓｉｎ関数７３の位相がｔｄの分だけ遅らされ、ｓｉｎ関数７４が得られている。その結果、筒内圧信号７２とｓｉｎ関数７４とに基づくフーリエ係数の値は、筒内圧信号７１とｓｉｎ関数７３とに基づくフーリエ係数の値と同じとなる。（ｃ）に示されるように、筒内圧信号７２とｓｉｎ関数７４とに基づくフーリエ係数を用いて算出した図示平均有効圧は、筒内圧信号７１とｓｉｎ関数７３とに基づくフーリエ係数を用いて算出した図示平均有効圧７６と等しくなり、誤差は生じない（２つの値が重なり合って示されている）。

図１４は、この発明の第１の実施例に従う、図示平均有効圧を算出するプロセスのフローチャートである。このプロセスは、典型的には、メモリ１ｃ（図１）に記憶されたプログラムにより実行される。このプロセスは、たとえば所定のトリガ信号に応答して起動される。

この例では、図示平均有効圧は、該プロセスが起動される時点の直前の１燃焼サイクル（これが、観測区間）について算出される。該観測区間中、筒内圧信号Ｐのサンプリングが行われ、２Ｎ個の筒内圧のサンプルＰｎが取得されている。

ステップＳ１において、該観測区間について検出された圧縮比Ｃｒに基づき、図１１の（ａ）のようなマップを参照して、行程体積Ｖｓを抽出する。ステップＳ２において、該観測区間について検出された圧縮比Ｃｒに基づき、図１１の（ｂ）のようなマップを参照して、所望の成分の種類を求め、該所望の成分について、体積変化率のフーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋを抽出する。

ステップＳ３において、該観測区間について検出されたエンジン回転数ＮＥおよび算出された目標吸気量Ｇｃｙｌ＿ｃｍｄに基づき、図１２のようなマップを参照して、ステップＳ２で求めた所望の成分についての位相シフトされたｓｉｎ関数（ｆｓｉｎｋ（ｎ））を求める。

ステップＳ４において、ステップＳ３で求めたｓｉｎ関数を９０度進ませることにより、位相シフトされたｃｏｓ関数（ｆｃｏｓｋ（ｎ））を求める。

ステップＳ５において、該観測区間中に得られた２Ｎ個の筒内圧のサンプルＰｎと、該観測区間について得られた２Ｎ個の位相シフトされたｆｓｉｎｋ（ｎ）およびｆｃｏｓｋ（ｎ）を用い、該所望の成分についての筒内圧フーリエ係数ＰａｋおよびＰｂｋを算出する。

ステップＳ６において、ステップＳ１およびＳ２で抽出された行程体積Ｖｓ、体積変化率のフーリエ係数ＶａｋおよびＶｂｋ、およびステップＳ５で算出された筒内圧のフーリエ係数ＰａｋおよびＰｂｋに基づいて、図示平均有効圧Ｐｍｉを式（９）に従って算出する。

次に、第２の実施例について説明する。従来の手法の一例として、式（１９）に示されるように、筒内圧信号の１次成分ｃ_１ｃｏｓφ_１と２次成分ｃ_２ｃｏｓφ_２に基づいて図示平均有効圧を算出する手法が提案されている（特公平８−２０３３９号参照）。該式には体積変化率のパラメータが含まれず、よってこの手法は、行程体積が変化しない所定のエンジンについての図示平均有効圧を算出することができる。

ここで、λは、（エンジンのコンロッド長／エンジンのクランクシャフトの半径）により算出される値である。４サイクルエンジンの場合、Ａ＝π／２であり、２サイクルエンジンの場合、Ａ＝πとなる。

ｃ１は、筒内圧信号における、エンジン回転の１次成分の振幅を示し、φ１は、筒内圧信号Ｐの、エンジン回転の１次成分の吸気ＴＤＣに対する位相差を示す。ｃ２は、筒内圧信号における、エンジン回転の２次成分の振幅を示し、φ２は、筒内圧信号の、エンジン回転の２次成分の吸気ＴＤＣに対する位相差を示す。

クランク角が９０度において１次成分ｃ_１ｃｏｓφ_１が得られ、クランク角が４５度において２次成分ｃ_２ｃｏｓφ_２を得ることができる。このように、この手法によると、吸気行程における上死点ＴＤＣからの正確な角度（９０度および４５度）において、１次および２次成分を得る必要がある。

上記の式（１９）を改良した手法が提案されており、これによると、筒内圧のフーリエ係数ｂ１およびｂ２に基づいて、式（２０）のようにして図示平均有効圧Ｐｍｉを算出することができる。フーリエ係数ｂ１およびｂ２の値は、どの部分の筒内圧信号が観測区間で検出されるかに従って大きく変化する。したがって、この手法によると、図示平均有効圧を正しく算出するためには、吸気行程の上死点ＴＤＣから観測区間を開始する必要がある。

Ｎはクランク周期におけるサンプリング回数を示す。積分区間は、吸気行程の上死点から開始する１燃焼サイクルであり（これが、観測区間）、該１燃焼サイクルでのサンプリング数は２Ｎである。ｎはサンプリング番号を示す。Ｐｎは、ｎ番目のサンプリングで得られた筒内圧のサンプルである。

観測区間の位置がずれることがある。図１５を参照すると、（ａ）には、筒内圧信号１２１が示されている。吸気行程のＴＤＣであるｔ０の時点でトリガ信号１２５が送出されており、該トリガ信号に応答して観測区間Ａが開始する。図示平均有効圧Ｐｍｉは、観測区間Ａについて算出される。

図１５の（ｂ）には、トリガ信号１２６が、トリガ信号１２５に対してｔａ遅れて送出された場合を示している。ｔ１の時点で送出されたトリガ信号１２６に応答して、観測区間Ｂが開始される。観測区間Ｂの開始時点は、観測区間Ａの開始時点に対してｔａだけ遅れている。図示平均有効圧Ｐｍｉは、観測区間Ｂについて算出される。観測区間ＡおよびＢの長さは、基準区間の長さと同じであり、典型的には１燃焼サイクルの長さに等しい。

図８の（ｂ）に示すような、たとえば観測区間Ａの開始時点でゼロ値を持つ１次のｓｉｎ関数を、基準信号として設定する。観測区間の開始時点のずれに起因して、観測区間Ｂにおける筒内圧信号１２１と該ｓｉｎ関数との位相についての相関関係は、観測区間Ａにおける筒内圧信号１２１とｓｉｎ関数との位相についての相関関係と異なる。結果として、観測区間Ｂについて算出フーリエ係数の値は、観測区間Ａについて算出されるフーリエ係数の値に対して誤差を含み、図８の（ｃ）に示すように、算出される図示平均有効圧に誤差が生じさせる。

図１６を参照して、このような誤差を回避する手法を説明する。図の（ａ）には、点線１３１に囲まれるように、基準区間における筒内圧信号１３２と基準信号１３３との間の基準となる位相関係が示されている。この基準位相関係は、所定の基準区間にわたって筒内圧信号を観測し、該観測した時の筒内圧信号１３２と、該基準区間の開始時点においてゼロを持つ１次のｓｉｎ関数１３３（＝ｓｉｎ（２π／Ｎ）ｎ）とにより予め決められることができる。

図１６の（ｂ）には、所与の観測区間Ｂにおいて検出された筒内圧信号１３４を示している。観測区間Ｂの燃焼サイクル中における開始時点は、基準区間の燃焼サイクル中における開始時点（この例では、吸気行程の上死点）に対し、ｔａだけずれている。

（ｂ）において、（ａ）のような基準位相関係を確立するため、観測区間Ｂに、基準位相関係を構成する基準信号と同じ基準信号を設定する。すなわち、観測区間Ｂの開始時点でゼロを持つ１次のｓｉｎ関数１３５が、基準信号として観測区間Ｂに設定される。該設定された基準信号１３５の位相を、ｔａだけ進ませて、基準信号１３６を得る。観測区間Ｂに対してｔａだけ進んだ時点から開始する区間Ｒを参照すると、（ａ）のような基準位相関係が確立されていることがわかる。こうして、検出された筒内圧信号について、基準位相関係を確立することができる。

基準位相関係が確立されたので、観測区間Ｂについての筒内圧信号１３４と基準信号１３６とのフーリエ係数は、基準区間についての筒内圧信号１３２と基準信号１３３とのフーリエ係数と同じ値を持つ。したがって、観測区間Ｂについて、検出された筒内圧信号１３４と基準信号１３６とのフーリエ係数を算出することにより、基準区間についてのフーリエ係数を求めることができる。

このように、観測区間の位置がずれた場合でも、該観測区間から、基準区間についてのフーリエ係数、すなわち誤差の無いフーリエ係数を求めることができる。フーリエ係数に誤差が含まれないので、図示平均有効圧を正確に算出することができる。

図には、基準信号として１次のｓｉｎ関数が示されているので、対応するフーリエ係数はＰｂ１である。フーリエ係数Ｐｂ２についても、２次のｓｉｎ関数をシフトすることにより、算出することができる。

第１の実施例の所で述べたように、代替的に、基準区間に設定される基準信号は、ｃｏｓ関数または他の次数のｓｉｎ関数を用いてもよい。また、該基準信号は、基準区間の開始時点でゼロ以外の値を持つよう設定してもよい。

図１７は、第２の実施例に従う、図示平均有効圧を算出する装置のブロック図である。運転状態検出部２０１は、筒内圧センサ１５（図１）の出力に基づいて、筒内圧Ｐを算出する。サンプリング部２０３は、こうして算出された筒内圧Ｐを、所定の周期でサンプリングして、筒内圧のサンプルＰｎを取得する。

運転状態検出部２０１は、さらに、観測区間の開始時点の遅れｔａを検出する。基準区間の燃焼サイクル中の開始時点は予め決まっている（たとえば、吸気行程のＴＤＣ）。運転状態検出部２０１は、観測区間が開始され
るトリガ信号を検出し、該トリガ信号の、該基準区間の燃焼サイクル中の開始時点に対する相対的な差を検出することができる。該差が、観測区間の開始時点の遅れｔａに対応する。

位相シフト部２０４は、エンジンの運転状態に応じた位相シフト量を求める。この例では、式（２１）および（２２）に示すように、基準区間について設定される基準信号が、1次のｓｉｎ関数ｆｓｉｎ１（ｎ）および２次のｓｉｎ関数ｆｓｉｎ２（ｎ）である。位相シフト量は、それぞれの基準信号について求められる。

この実施例では、エンジンの運転状態に応じた量だけ位相シフトされたｆｓｉｎ１およびｆｓｉｎ２が、マップとして予めメモリ１ｃに記憶されている。位相シフト部２０４は、運転状態検出部２０１から、観測区間の開始時点の遅れｔａを受け取る。該遅れｔａに基づいて該マップを参照し、位相シフトされたｆｓｉｎ１およびｆｓｉｎ２を求める。

図１８の（ａ）および（ｂ）には、ｆｓｉｎ１およびｆｓｉｎ２についてのマップの例がそれぞれ示されている。（ａ）のマップを例にとって説明すると、遅れｔａが大きくなるにつれ、ｆｓｉｎ１は進ませられる。

筒内圧フーリエ係数決定部２０５は、筒内圧のサンプルＰｎと、位相シフト部２０４により位相シフトされたｆｓｉｎ１およびｆｓｉｎ２に基づいて、式（２１）および（２２）に従い、筒内圧のフーリエ係数ｂ１およびｂ２をそれぞれ算出する。

演算部２０６は、筒内圧のフーリエ係数ｂ１およびｂ２を用い、式（２０）に従って図示平均有効圧Ｐｍｉを算出する。

図１９は、この発明の第２の実施例に従う、図示平均有効圧を算出するプロセスのフローチャートである。このプロセスは、典型的には、メモリ１ｃ（図１）に記憶されたプログラムにより実行される。このプロセスは、たとえばクランク信号に同期したトリガ信号に応答して起動される。

この例では、図示平均有効圧は、該プロセスが起動される時点の直前の１燃焼サイクル（これが、観測区間）について算出される。該観測区間中、筒内圧信号Ｐのサンプリングが行われ、２Ｎ個の筒内圧のサンプルＰｎが取得されている。

ステップＳ１１において、該観測区間の開始時点の遅れｔａに基づき、図１８のようなマップを参照して、位相シフトされたｓｉｎ関数（ｆｓｉｎ１（ｎ）およびｆｓｉｎ２（ｎ））を求める。

ステップＳ１２において、該観測区間にわたって取得された２Ｎ個の筒内圧のサンプルＰｎと、該観測区間について求められた２Ｎ個の位相シフトされたｆｓｉｎ１（ｎ）およびｆｓｉｎ２（ｎ）を用い、式（２１）および（２２）に従って筒内圧フーリエ係数ｂ１およびｂ２を算出する。

ステップＳ１３において、ステップＳ１２で算出された筒内圧のフーリエ係数ｂ１およびｂ２に基づいて、図示平均有効圧Ｐｍｉを式（２０）に従って算出する。

第２の実施例の上記の説明では、観測区間の位置がずれた場合を説明した。しかしながら、筒内圧信号に遅れが生じた場合でも、第１の実施例と同様にして、フーリエ係数ｂ１およびｂ２を算出することができる。具体的には、該位相遅れの分だけ、観測区間に設定された基準信号の位相を遅らせ、該位相が遅らされた基準信号と筒内圧信号とのフーリエ係数を算出すればよい。

本発明は、汎用の（例えば、船外機等の）内燃機関に適用可能である。

この発明の一実施例に従う、エンジンおよびその制御装置を概略的に示す図。 この発明の一実施例に従う、図示平均有効圧を示す図。 この発明の原理を説明するための図。 この発明の一実施例に従う、体積変化率および該体積変化率についてのＦＦＴ解析結果を示す図。 この発明の一実施例に従う、各次数におけるフーリエ係数の値を示す図。 この発明の一実施例に従う、体積変化率の波形と所望の成分を示す図。 筒内圧信号の位相遅れによりフーリエ係数が異なることを説明するための図。 筒内圧信号の位相遅れにより、図示平均有効圧に誤差が含まれることを示す図。 この発明の第１の実施例に従う、筒内圧信号に位相遅れに応じて基準信号を位相シフトする手法を示す図。 この発明の第１の実施例に従う、図示平均有効圧を算出する装置のブロック図。 この発明の第１の実施例に従う、エンジンの運転状態に応じた行程体積および体積についてのフーリエ係数を示すマップ。 この発明の第１の実施例に従う、エンジンの運転状態に応じて位相シフトされた基準信号を示すマップ。 この発明の第１の実施例に従う、図示平均有効圧の算出結果を示す図。 この発明の第１の実施例に従う、図示平均有効圧の算出するプロセスのフローチャート。 観測区間の開始時点のずれによって、フーリエ係数の値が異なることを説明するための図。 この発明の第２の実施例に従う、観測区間の開始時点の遅れに応じて基準信号を位相シフトする手法を示す図。 この発明の第２の実施例に従う、図示平均有効圧を算出する装置のブロック図。 この発明の第２の実施例に従う、観測区間の開始時点の遅れに応じて位相シフトされた基準信号を示すマップ。 この発明の第２の実施例に従う、図示平均有効圧の算出するプロセスのフローチャート。

符号の説明

１ ＥＣＵ
２ エンジン
１５ 筒内圧センサ
２６ 可変圧縮比機構

Claims (10)

1. エンジンの仕事量を算出する装置であって、
   所定の基準区間について、前記エンジンの筒内圧と、所定の周波数成分で構成される基準信号との位相についての相関関係を基準位相関係として予め確立する手段と、
   所与の観測区間について、前記エンジンの筒内圧を検出する手段と、
   前記基準位相関係が成立するように、前記検出されたエンジンの筒内圧に対応する前記基準信号を算出する基準信号算出手段と、
   前記観測区間について、前記検出されたエンジンの筒内圧と前記算出された基準信号との相関係数を算出する相関係数算出手段と、
   前記相関係数に基づいて、前記エンジンの仕事量を算出する仕事量算出手段と、
   を備える、エンジンの仕事量を算出する装置。
2. 前記相関係数は、前記筒内圧をフーリエ級数展開したときのフーリエ係数である、請求項１に記載の装置。
3. さらに、前記基準信号算出手段は、
   前記観測区間において検出された筒内圧の、前記基準区間における筒内圧に対する位相遅れを算出する位相遅れ算出手段と、
   前記基準位相関係を構成する基準信号と同じ基準信号を、前記観測区間に設定する手段と、
   前記位相遅れの分だけ、前記観測区間に設定された基準信号の位相を遅らせて、前記検出されたエンジンの筒内圧に対応する基準信号を算出する手段と、
   を備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記エンジンの運転状態を検出する手段をさらに備え、
   前記位相遅れ算出手段は、前記検出されたエンジンの運転状態に応じて、前記位相遅れを算出する、請求項３に記載の装置。
5. さらに、前記基準信号算出手段は、
   前記観測区間の開始時点の、前記基準区間の開始時点に対する遅れを算出する遅れ算出手段と、
   前記基準位相関係を構成する基準信号と同じ基準信号を、前記観測区間に設定する手段と、
   前記遅れの分だけ、前記観測区間に設定された基準信号の位相を進ませて、前記検出されたエンジンの筒内圧に対応する基準信号を算出する手段と、
   を備える、請求項１に記載の装置。
6. さらに、
   前記遅れ算出手段は、前記基準区間の開始時点と前記観測区間の開始時点の相対的な差に応じて算出する、請求項５に記載の装置。
7. エンジンの仕事量を算出する装置であって、
   前記エンジンの体積変化率を周波数分解することにより得られる周波数成分について、前記エンジンの仕事量を算出するのに所望の成分を決定する成分決定手段と、
   所定の基準区間について、前記エンジンの筒内圧と、前記決定した成分で構成される基準信号との位相についての相関関係を、基準位相関係として予め確立する手段と、
   前記基準位相関係が成立するように、所与の観測区間における筒内圧に対応する前記基準信号を算出する基準信号算出手段と、
   前記観測区間における前記エンジンの筒内圧と、前記算出された基準信号との第１の相関係数を算出する第１の算出手段と、
   前記観測区間における前記エンジンの体積変化率と、前記算出された基準信号との第２の相関係数を算出する第２の算出手段と、
   前記第１の相関係数および前記第２の相関係数に基づいて、前記エンジンの仕事量を算出する仕事量算出手段と、
   を備える、エンジンの仕事量を算出する装置。
8. さらに、
   前記エンジンの行程体積を変更する機構と、
   前記行程体積を求める行程体積算出手段と、を備え、
   前記仕事量算出手段は、前記行程体積、前記第１の相関係数および前記第２の相関係数に基づいて、前記エンジンの仕事量を算出する、
   請求項７に記載の装置。
9. 前記エンジンの運転状態を検出する手段をさらに備え、
   前記成分決定手段は、該検出されたエンジンの運転状態に従って、前記所望の成分を決定する、
   請求項７に記載の装置。
10. 前記エンジンの仕事量は、図示平均有効圧を含む、
    請求項１に記載の装置。

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