JP2012082766A - 内燃機関の筒内圧波形推定方法及び推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内圧力検出手段（筒内圧センサ）を用いずに他の検出手段からの信号を基に筒内圧力波形を推定して、筒内圧力を精度よく且つコスト増加を伴わずに推定可能な内燃機関の筒内圧波形推定方法及び推定装置を提供すること。
【解決手段】内燃機関の非燃焼時における基準筒内圧力波形を筒内圧力センサを用いずに算出する基準圧力波形算出手段３７と、燃焼差圧最大値を算出する燃焼差圧最大値算出手段４１と燃焼差圧最大値への上昇部の波形を遅れ関数を用いて算出する上昇波形算出手段４３と燃焼差圧最大値からの下降部の波形を燃料噴射量による発熱量に基づいて算出する下降波形算出手段４５とで算出される波形を繋ぎ合せて燃焼差圧波形を算出する燃焼差圧波形算出手段３９とを備え、前記基準圧力波形算出手段３７と前記燃焼差圧波形算出手段３９によるそれぞれの波形を加算して筒内圧力波形を算出する筒内圧力波形算出手段４７を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒内圧力検出手段（筒内圧センサ）を用いずに他の検出手段からの信号を基に筒内圧力波形を算出して推定する内燃機関の筒内圧波形推定方法及び推定装置に関するものである。

内燃機関の燃焼制御において、燃料噴射量や着火（点火）時期を制御する場合、燃焼状態を把握するために筒内圧力を用いて推定するものが知られている。
例えば、特許文献１（特開２００７−２５５２３７号公報）には、筒内圧波形（センサ値）を用いて検出された気筒毎の筒内圧力に基づいて気筒毎の実熱発生率を求めて、該実熱発生率の波形に、気筒内の熱発生をモデル化するＷｉｅｂｅ関数により算出されるモデル熱発生の波形が精度良く一致するように、気筒毎にＷｉｅｂｅ関数パラメータの値を算出するものである。そして、算出したＷｉｅｂｅ関数パラメータの値を基に、吸入空気量の気筒間のばらつき状態を推定して、該推定されたばらつきに基づいて燃料噴射量や点火時期が制御されることが示されている。

また、燃料噴射量の制御において、燃料噴射量を目標燃料噴射量に精度良く一致させるために、燃料噴射量を精度よく検出する必要があり、そのための手法として、筒内圧力検出手段で検出された筒内圧力を用いて算出する装置が、特許文献２（特許第４０２６１０３号公報）に示されている。
筒内圧力センサからの信号を基に、過去に検出された非燃焼時の筒内圧力に基づいて算出された燃焼による圧力上昇を除いた筒内空気の圧力（基準圧力）と、現在の筒内圧力（検出圧力）とに基づいて、燃料噴射量を算出する。すなわち、検出圧力と基準圧力との差圧から燃料噴射量を精度よく算出するものである。

特許文献１、２においては、筒内圧力を計測するために各気筒に筒内圧力センサを設置してその検出信号を用いている。このため、コスト増加につながるため、気筒毎に筒内圧力センサを設置せずに、筒内圧力を推定することが望ましい。
例えば、特許文献３（特開２００８−２５５９３２号公報）には、筒内圧力を取得する手段としてクランク軸の運動方程式を利用して筒内圧トルクから算出することが示されるとともに、算出した筒内圧力に基づいて筒内熱発生パターンと筒内圧力との関係を示すＷｉｅｂｅ関数によるモデル式に基づいて、所定のクランク角での筒内圧力を推定することが示されている。

特開２００７−２５５２３７号公報 特許第４０２６１０３号公報 特開２００８−２５５９３２号公報

しかしながら、前述した特許文献３のような筒内熱発生パターンと筒内圧力との関係を示すモデル式、つまりモデル熱発生率波形から筒内圧力波形を推定するものでは、推定にモデル式が介在される分だけ誤差が大きくなる要因を含んでいる。

そこで、本発明はこれら問題に鑑みてなされたもので、筒内圧力検出手段（筒内圧センサ）を用いずに他の検出手段からの信号を基に筒内圧力波形を推定して、筒内圧力を精度よく且つコスト増加を伴わずに推定可能な内燃機関の筒内圧波形推定方法及び推定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、第１の発明は、内燃機関の筒内圧力波形の推定方法において、内燃機関の非燃焼時における基準筒内圧力波形を、筒内圧力センサを用いずに算出する基準圧力波形算出ステップと、予め設定された燃料噴射量と燃焼差圧最大値との関係に基づいて燃焼差圧最大値を算出する燃焼差圧最大値算出ステップと、燃焼差圧最大値までの上昇部の波形を遅れ関数を用いて算出する上昇波形算出ステップと、燃焼差圧最大値からの下降部の波形を燃料噴射量による発熱量に基づいて算出する下降波形算出ステップと、前記燃焼差圧最大値算出ステップと上昇波形算出ステップと下降波形算出ステップとによって算出された、それぞれの波形を繋ぎ合せて燃焼差圧波形を算出する燃焼差圧波形算出ステップと、前記基準圧力波形算出ステップによって算出された基準筒内圧力波形と前記燃焼差圧波形算出ステップにて算出された燃焼差圧波形とを加算して筒内圧力波形を算出する筒内圧力波形算出ステップと、を備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、筒内圧力波形を基準筒内圧力波形と燃焼差圧波形とに分けて、それぞれの波形を数式を用いて算出し、算出後の両波形を合体して筒内圧力波形を算出するものである。
従って、従来技術のようにＷｉｅｂｅ関数で求めたモデル熱発生率波形から、筒内圧力波形を推定する手法とは異なり、圧力波形を数式を用いて直接算出して推定するため、圧力波形の推定において誤差を少なくできる。
また、筒内圧力センサを用いずに基準圧力波形を算出するため、システムを簡素化できる。

さらに、燃焼差圧波形の算出において、燃焼差圧波形を、予め設定された燃料噴射量と燃焼差圧最大値との関係に基づいて燃焼差圧最大値を算出し、燃焼差圧最大値までの上昇部の波形を遅れ関数を用いて算出し、燃焼差圧最大値からの下降部の波形を燃料噴射量による発熱量に基づいて算出し、それぞれの波形を繋ぎ合せて算出するようにしたので、燃焼差圧波形の推定精度を高めることができる。すなわち、ステップ状に燃焼差圧最大値に立ち上がり、その燃焼差圧最大値を保持するような波形に比べてより実際の現象に近い波形とすることができる。

以上のように筒内圧力波形の推定において誤差なく、実際の現象に近い筒内圧力の推定が可能になるため、推定した筒内圧力波形を用いて、Ｐｍａｘ（筒内圧最大値）の算出に基づいて燃料噴射量の制限や、その他、推定した筒内圧力波形を用いて熱発生率波形を計算して例えば熱発生率５０％のクランク角度をメイン燃料噴射時期のフィードバック目標値として着火遅れ制御を正確に行うことも可能であり、内燃機関の燃焼制御の精度を向上できる。

また、第１発明において好ましくは、前記基準圧力波形算出ステップは、内燃機関の圧縮行程時の筒内圧力Ｐ、筒内容積Ｖ、及び任意の定数ｎによる状態式ＰＶ^ｎと、膨張行程時の筒内圧力Ｐ'、筒内容積Ｖ'、及び任意の定数ｎによる状態式Ｐ'Ｖ'^ｎとが等しい関係式ＰＶ^ｎ＝Ｐ'Ｖ'^ｎに基づいて、圧縮行程前の吸気弁閉じ前の吸気マニホールド内の検出圧力Ｐを用いて前記膨張行程時の圧力Ｐ'を基準筒内圧力として算出するとよい。

かかる構成によれば、燃焼ガスを理想気体とみなして、理想気体の圧力と容積との関係を示す状態式を用いて、圧縮行程の開始前の吸気弁が閉じる前においては、吸気マニホールド内の圧力と筒内圧力は等しい状態にあるため、その時の吸気マニホールド内の検出圧力Ｐを筒内圧力Ｐとして、且つ吸気弁が閉じる前の筒内容積をＶとして、ＰＶ^ｎ＝Ｐ'Ｖ'^ｎの関係式を用いて、膨張行程時の筒内容積Ｖ'と筒内圧力Ｐ'を算出して、膨張行程時の圧力Ｐ'を基準筒内圧力として算出できる。なお、ｎは任意の定数である。

また、第１発明において好ましくは、前記上昇波形算出ステップは、１次遅れ関数を用いて予め内燃機関の運転状態に応じて設定されたむだ時間と時定数とを用いて算出するとよい。
かかる構成によれば、予め内燃機関の運転状態（例えば、エンジン回転数、エンジン負荷）に応じた１次遅れ関数のむだ時間、時定数を設定したマップを用意し、運転状態に応じて燃焼差圧最大値への変化を１次遅れ関数として求めることができるので、運転状態に応じた上昇波形を簡単に精度良く算出できる。

また、第１発明において好ましくは、前記下降波形算出ステップは、燃料噴射量による発熱量が筒内の温度上昇と外部への仕事量に変換される関係を用いて算出するとよい。
かかる構成によれば、噴射される燃料量によって生成される発熱量ＱＨは、筒内の内部エネルギＵの増加、つまり筒内の温度上昇と、仕事Ｗ＝ΔＰ×Ｖによって消費される（変換される）。
すなわち、ＱＨ＝Ｕ＋Ｗの関係を基に、ある一定の燃料噴射量による発熱量ＱＨによって、内部エネルギＵと仕事Ｗとがそれぞれ一定量発生し、内部エネルギＵの増加は筒内の温度上昇によって求めることができる。また、一定量生じる仕事Ｗのもとではピストンの下降による筒内容積Ｖの増大に伴って燃焼差圧ΔＰは小さくなるため、これからΔＰの下降状態が推定されて、運転状態に応じた下降波形を簡単に精度良く算出できる。

第２の発明は、内燃機関の筒内圧力波形の推定装置において、内燃機関の非燃焼時における基準筒内圧力波形を、筒内圧力センサを用いずに算出する基準圧力波形算出手段と、予め設定された燃料噴射量と燃焼差圧最大値との関係に基づいて燃焼差圧最大値を算出する燃焼差圧最大値算出手段と、燃焼差圧最大値までの上昇部の波形を遅れ関数を用いて算出する上昇波形算出手段と、燃焼差圧最大値からの下降部の波形を燃料噴射量による発熱量に基づいて算出する下降波形算出手段と、前記燃焼差圧最大値算出手段と上昇波形算出手段と下降波形算出手段とによって算出されたそれぞれの波形を繋ぎ合せて燃焼差圧波形を算出する燃焼差圧波形算出手段と、前記基準圧力波形算出手段よって算出された基準筒内圧力波形と前記燃焼差圧波形算出手段によって算出された燃焼差圧波形とを加算して筒内圧力波形を算出する筒内圧力波形算出手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明によれば、筒内圧力波形算出手段によって、筒内圧力波形を基準筒内圧力波形と燃焼差圧波形とに分けて、それぞれの波形を、数式を用いて算出し算出後の両波形を合体して筒内圧力波形を算出する。
従って、従来技術のようにＷｉｅｂｅ関数で求めたモデル熱発生率波形から、筒内圧力波形を推定する手法とは異なり、圧力波形を数式を用いて直接算出して推定するため、圧力波形の推定において誤差を少なくできる。
また、筒内圧力センサを用いずに基準圧力波形を算出するため、システムを簡素化できる。

さらに、予め設定された燃料噴射量と燃焼差圧最大値との関係に基づいて燃焼差圧最大値を算出する燃焼差圧最大値算出手段と、燃焼差圧最大値までの上昇部の波形を遅れ関数を用いて算出する上昇波形算出手段と、燃焼差圧最大値からの下降部の波形を燃料噴射量による発熱量に基づいて算出する下降波形算出手段と、前記燃焼差圧最大値算出手段と上昇波形算出手段と下降波形算出手段とによって算出されたそれぞれの波形を繋ぎ合せて燃焼差圧波形を算出する燃焼差圧波形算出手段とを備えて、燃焼差圧波形を形成するので、燃焼差圧波形の推定精度を高めることができる。すなわち、ステップ状に燃焼差圧最大値に立ち上がり、その燃焼差圧最大値を保持するような波形に比べてより実際の現象に近い波形とすることができる。

また、第２の発明において好ましくは、吸気マニホールドに圧力センサを設け、前記基準圧力波形算出手段は、内燃機関の圧縮行程時の筒内圧力Ｐ、筒内容積Ｖ、及び任意の定数ｎによる状態式ＰＶ^ｎと、膨張行程時の筒内圧力Ｐ'、筒内容積Ｖ'、及び任意の定数ｎによる状態式Ｐ'Ｖ'^ｎとが等しい関係式ＰＶ^ｎ＝Ｐ'Ｖ'^ｎに基づいて、圧縮行程前の吸気弁閉じ前の吸気マニホールド圧力を前記圧力センサで検出し、検出圧力Ｐを用いて前記膨張行程時の圧力Ｐ'を基準筒内圧力として算出するとよい。

かかる構成によれば、気筒に設置される筒内圧力センサではなく、吸気マニホールドに設けた圧力センサによって検出される圧力値を基に、基準筒内圧力波形を算出することができるため、筒内圧力センサを不要としてコスト低減を図ることができる。

第１の発明によれば、筒内圧力波形を基準筒内圧力波形と燃焼差圧波形とに分けて、それぞれの波形を、数式を用いて算出し、算出後の両波形を合体して筒内圧力波形を算出するので、従来技術のようにＷｉｅｂｅ関数で求めたモデル熱発生率波形から、筒内圧力波形を推定する手法とは異なり、圧力波形を数式を用いて直接算出して推定するため、圧力波形の推定において誤差を少なくできる。

また、燃焼差圧波形の算出において、燃焼差圧波形を、予め設定された燃料噴射量と燃焼差圧最大値との関係に基づいて燃焼差圧最大値を算出し、燃焼差圧最大値までの上昇部の波形を遅れ関数を用いて算出し、燃焼差圧最大値からの下降部の波形を燃料噴射量による発熱量に基づいて算出し、それぞれの波形を繋ぎ合せて算出するようにしたので、実際の現象に近い波形とすることができ、燃焼差圧波形の推定精度を高めることができる。

また、第２の発明によれば、筒内圧力波形算出手段によって、筒内圧力波形を基準筒内圧力波形と燃焼差圧波形とに分けて、それぞれの波形を、数式を用いて算出し算出後の両波形を合体して筒内圧力波形を算出するので、従来技術のようにＷｉｅｂｅ関数で求めたモデル熱発生率波形から、筒内圧力波形を推定する手法とは異なり、圧力波形を数式を用いて直接算出して推定するため、圧力波形の推定において誤差を少なくできる。
また、筒内圧力センサを用いずに基準圧力波形を算出するため、システムを簡単化できる。

本発明の実施形態におけるシステム全体の概要構成図である。 基準筒内圧力波形と燃焼差圧波形を示す説明図である。 燃焼差圧波形を示す説明図である。 燃焼差圧波形における燃料噴射量と燃焼差圧最大値との関係を示す関係図である。 実施形態における筒内圧力波形の算出処理を行うための事前処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態における筒内圧力波形の算出処理の流れを示すフローチャートである。 ４サイクルディーゼルエンジンの燃料噴射タイミングを示す説明図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

図１を参照して、内燃機関（ディーゼルエンジン）における筒内圧波形推定装置の全体構成について説明する。
ディーゼルエンジン（以下エンジンという）１の各気筒には、電磁弁式の燃料噴射弁３が取り付けられ、各気筒の燃料噴射弁３には、高圧ポンプ５から高圧に蓄圧された燃料がコモンレール７を通して分配されるようになっている。
そして、燃料の噴射時期、噴射量、噴射圧力を制御して燃料噴射弁３に対して所定の燃料噴射時期に、所定の燃料圧力に制御された燃料を供給する燃料噴射制御装置９が設けられている。

また、エンジン１のクランク軸１１の近傍には、所定クランク角度毎にパルス信号を出力するクランク角センサ１３が設けられ、カム軸の近傍には、気筒判別センサ（不図示）が設けられ、さらにエンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段１５が設けられている。

さらに、燃焼室１７には、図示しない排気ターボ過給機によって加圧された空気が、吸気通路１９を通って、図示しないインタークーラで冷却された後、吸気スロットルバルブ２３で流量が制御され、その後、吸気マニホールド２５からシリンダ毎に設けられた吸気ポート２７へ流入し、そして該吸気ポート２７におけるエンジン１の吸気弁２９を介して燃焼室１７内に流入するようになっている。
吸気マニホールド２５には吸気マニホールド２５内の圧力を検出する吸気マニホールド圧力センサ（圧力センサ）３１が取り付けられている。
なお、吸気マニホールド２５には、ＥＧＲ（排気再循環装置）ガスがＥＧＲバルブ３３を介して流入するようになっている。

以上の各種センサからの信号は、筒内圧力波形推定装置３５に入力される。この筒内圧力波形推定装置３５は、エンジン１の非燃焼時、すなわち、燃料が噴射されていないときの基準筒内圧力波形を算出する基準圧力波形算出手段３７と、燃料が噴射されたときにその燃料の燃焼によって生じる分の燃焼差圧波形を算出する燃焼差圧波形算出手段３９とを備えている。
なお、筒内圧力波形の例は図２に示すように、点線は燃焼時の筒内圧力波形Ｐｋ（θ）であり、点線が燃焼していないモータリング時の圧力波形である基準筒内圧力波形Ｐ'（θ）を示す。それぞれの波形を用いてクランク角θにおける筒内圧力Ｐｋ（θ）、Ｐ'（θ）を算出できる。

燃焼差圧波形算出手段３９は、さらに、予め設定された燃料噴射量と燃焼差圧最大値との関係に基づいて燃焼差圧最大値を算出する燃焼差圧最大値算出手段４１と、燃焼差圧最大値までの上昇部の波形を遅れ関数を用いて算出する上昇波形算出手段４３と、燃焼差圧最大値からの下降部の波形を燃料噴射量による発熱量に基づいて算出する下降波形算出手段４５と、を有して構成されており、これら前記燃焼差圧最大値算出手段４１と上昇波形算出手段４３と下降波形算出手段４５とによって算出されたそれぞれの波形を繋ぎ合せて燃焼差圧波形を算出するようになっている。
そして、基準圧力波形算出手段３７によって算出された基準筒内圧力波形と、燃焼差圧波形算出手段３９によって算出された燃焼差圧波形を、筒内圧力波形算出手段４７で合体させて筒内圧力波形として出力するようになっている。

次に、筒内圧力波形推定装置３５の推定方法について図５、６に示す算出処理のフローチャートを参照して説明する。なお、各気筒について同様の処理を行うため、以下では１つの気筒について説明する。
算出処理は、予め必要とするマップ等のデータ設定の準備処理と、その後の実機における筒内圧力波形の算出処理とからなっている。

（準備処理）
準備処理はエンジンベンチの台上試験によって、本発明の処理に必要となるマップデータの収集および関係式を事前に設定するための処理である。なお、台上試験時には、筒内圧力センサを設置して筒内圧力波形のデータ取得を行うが、車載時等の実機においては装着されない。

図５に示すように、まず、ステップＳ０１では、燃焼筒内に設置した筒内圧力センサを用いて、ある一定のエンジン回転数のときであって、燃料噴射をカット中のときの筒内圧力波形を基準筒内圧力波形として取得する。

次に、燃料噴射運転を行いステップＳ０２では、燃焼筒内に設置した筒内圧力センサを用いて筒内圧力波形を取得する。取得した筒内圧力波形とステップＳ０１で算出した基準筒内圧力波形より、「筒内圧力波形」−「基準筒内圧力波形」によって、燃焼差圧波形を求める。

次に、ステップＳ０３では、燃料噴射タイミングと、燃焼差圧波形の立ち上がり時間を比較して、「むだ時間」を求める。他のエンジン回転数およびエンジン負荷（燃料噴射量）においても同様の準備処理を実行して「むだ時間」をエンジン回転数とエンジン負荷に基づくマップとして設定して図示しない記憶手段にむだ時間マップとして記憶する。

次に、ステップＳ０４では、噴射燃料量と燃焼差圧波形の最大値の関係を求める。他のエンジン回転数およびエンジン負荷においても同様の準備処理を実行して、噴射燃料量と燃焼差圧波形の最大値の関係を算出する。図４のようにほぼ直線の関係で近似することができる。図４は、横軸に燃料噴射量Ｑをとり縦軸に燃焼差圧最大値ΔＰ（θＱ）をとった関係のグラフであり、直線的な比例関係になっている。

次に、ステップＳ０５では、燃焼差圧波形の立ち上がり時間から、燃焼差圧波形の最大値の６３．２％になる時間までの期間より、１次遅れ時定数Ｔを求める（１次遅れ要素の伝達関数はＧ（ｓ）＝Ｋ／（Ｔｓ＋１）出与えられる）。他のエンジン回転数およびエンジン負荷においても同様の準備処理を実行して「時定数」をエンジン回転数とエンジン負荷に基づくマップとして設定して図示しない記憶手段に時定数マップとして記憶する。

次に、ステップＳ０６では、燃料噴射を行う前と後で取得した排気温度の差より、内部エネルギ量を求める。
台上試験においては、排気ポート６０に排気温度センサを設置して、気筒の燃焼時、つまり燃料噴射前後における排気温度の差を検出して内部エネルギＵとして算出する。
また、他のエンジン回転数およびエンジン負荷においても同様の準備処理を実行して「内部エネルギ」をエンジン回転数とエンジン負荷に基づくマップとして設定して図示しない記憶手段に内部エネルギマップとして記憶する。
なお、車載時等の実機においては、排気温度センサは装着されずにエンジン回転数と燃料噴射量から、前記内部エネルギマップを用いて算出される。

以上のそれぞれの処理を、前述したように他のエンジン回転数およびエンジン負荷においても実行して、マップおよび関係式の設定を行う。

（実機における処理）
次に、図６のフローチャートを参照して、実機における筒内圧力波形の算出処理の方法を説明する。
まず、ステップＳ１１で、エンジン回転数をエンジン回転数検出手段１５から取り込み、燃料噴射量および噴射タイミングを燃料噴射制御装置９およびクランク角センサ１３から読み込み、吸気マニホールド圧力Ｐを吸気マニホールド圧力センサ３１によって読み込む。

ステップＳ１２で、取り込んだ吸気マニホールド圧力Ｐを用いて基準筒内圧力波形Ｐ'を算出する。
吸気マニホールド圧力センサ３１からの信号およびクランク角センサ１３からの信号に基づいて、爆発トップ前約１８０度（吸気弁２９閉弁前）の吸気マニホールド２５内の圧力を検出する。
４サイクルディーゼルエンジンの燃料噴射タイミングは、図７に示すように、爆発トップ（着火）前約１８０度には圧縮行程に入るために吸気弁２９が閉じられる。その吸気弁２９の閉弁直前においては、吸気マニホールド２５と燃焼室１７とは連通状態にあり同一圧力状態であるため、そのときのタイミングをクランク角センサ１３で検出して吸気マニホールド２５内の圧力Ｐを吸気マニホールド圧力センサ３１で検出する。

取得した吸気マニホールド内圧力Ｐを用いて、その時の吸気マニホールド内の検出圧力Ｐを筒内圧力Ｐとして、且つ吸気弁が閉じる前の筒内容積をＶとして、ＰＶ^ｎ＝Ｐ'Ｖ'^ｎの関係式を用いて、膨張行程時の筒内容積Ｖ'と筒内圧力Ｐ'を算出する。
燃焼ガスを理想気体とみなして、理想気体の圧力と容積との関係を示す状態式ＰＶ^ｎ＝一定の関係が成り立つようなポリトロープ変化とみなして、連続的に変化する圧縮行程時の状態式と膨脹行程時の状態式から、膨張行程時の圧力Ｐ'を基準筒内圧力として算出する。

このように、筒内圧力センサを各燃焼室に設けずに、吸気マニホールドに設けた圧力センサによって検出される圧力値を基に、基準筒内圧力波形を算出することができるため、燃焼室１７毎に設置する筒内圧力センサを不要とでき、コスト低減を図ることができる。

ステップＳ１３では、取り込んだエンジン回転数、エンジン負荷（燃料噴射量）を用いて、既に準備処理のステップＳ０３で設定したむだ時間マップを用いて、むだ時間を算出する。すなわち、図３の圧力波形のＡ部分を求める。
この図３は、横軸にクランク角度θをとり、縦軸に燃焼差圧ΔＰ（θ）をとったもので、図２の基準圧力波形の上に加算される部分の詳細を示すものである。噴射時期θｆに燃料が噴射されるが、直ぐに差圧として立ち上がらずに時間遅れを持って立ち上がるため、そのための時間遅れを、むだ時間として設定する。

ステップＳ１４では、取り込んだ燃料噴射量を用いて、既に準備処理のステップＳ０４で設定した図４の噴射燃料量と燃焼差圧波形の最大値の関係を示すグラフを用いて、燃焼差圧波形の最大値を算出する。

ステップＳ１５では、取り込んだエンジン回転数、エンジン負荷（燃料噴射量）を用いて、既に準備処理のステップＳ０５で設定した時定数マップを用いて、時定数を算出する。すなわち、図３の圧力波形のＢ部分を求める。
Ｂ部分の立ち上がりを１次遅れの関数として算出することで、より実際の立ち上がり波形に近いものとすることができ、その１次遅れ時定数Ｔを予め試験によって設定したマップによって求める。

ステップＳ１６で、ステップＳ１３〜Ｓ１５によって求めたむだ時間、燃焼差圧波形の最大値ΔＰ（θＱ）、時定数を基に、上昇部の波形を形成する。

次に、ステップＳ１７で、取り込んだ燃料噴射量より発熱量ＱＨを求める。そして、ステップＳ１８で、取り込んだエンジン回転数、エンジン負荷（燃料噴射量）を用いて、内部エネルギマップによって、内部エネルギＵを求める。

そして、ステップＳ１９で、噴射される燃料量によって生成される発熱量ＱＨは、筒内の内部エネルギＵの増加、つまり筒内の温度上昇と、外部への仕事Ｗ＝ΔＰ×Ｖによって消費（変換）される関係から、すなわち、ＱＨ＝Ｕ＋Ｗ＝Ｕ＋ΔＰ×Ｖの関係を基に、あるクランク角における燃焼差圧ΔＰを求める。
すなわち、ＱＨ＝Ｕ＋Ｗの関係を基に、ある一定の燃料噴射量による発熱量ＱＨによって、内部エネルギＵと仕事Ｗとがそれぞれ一定量発生し、内部エネルギＵの増加は筒内の温度上昇によって求めることができる。また、一定量生じる仕事Ｗのもとではピストンの下降による筒内容積Ｖの増大に伴って燃焼差圧ΔＰは小さくなるため、これからΔＰの下降状態が推定される。
ΔＰ、Ｖは共に、あるクランク角度における値である。筒内容積Ｖがピストン下降により大きくなるに伴ってΔＰは小さくなる。

ステップＳ２０で、ステップＳ１８とＳ１９の算出結果を基に図３の圧力波形のＣ部分においてΔＰが下降していく波形が算出される。

ステップＳ２１で、ステップＳ１６で算出した上昇部の波形と、ステップＳ２０で算出した下降部の波形を繋ぎ合せて燃焼差圧波形を算出する。
そして、ステップＳ２１で、筒内圧力波形を求める。すなわち、ステップＳ１１、１２で基準筒内圧力波形の算出を行い、ステップＳ１３〜Ｓ２１で燃焼差圧波形の算出を行い、このステップＳ２２で「基準筒内圧力波形」+「燃焼差圧波形」の算出を行って、筒内圧力波形を算出する。

以上の実施形態によれば、筒内圧力波形を基準筒内圧力波形と燃焼差圧波形とに分けて、それぞれの波形を、基準圧力波形算出手段３７と燃焼差圧波形算出手段３９とによって、それぞれ数式を用いて算出し、算出後の両波形を筒内圧力波形算出手段４７によって合体して筒内圧力波形を算出するので、従来技術のようにＷｉｅｂｅ関数で求めたモデル熱発生率波形から、筒内圧力波形を推定する手法とは異なり、圧力波形を数式を用いて直接算出して推定するため、圧力波形の推定において誤差を少なくできる。

さらに、燃焼差圧波形算出手段３９での燃焼差圧波形の算出において、燃焼差圧最大値算出手段４１では燃焼差圧波形を、予め設定された燃料噴射量と燃焼差圧最大値との関係に基づいて燃焼差圧最大値を算出し、上昇波形算出手段４３では燃焼差圧最大値までの上昇部の波形を遅れ関数を用いて算出し、下降波形算出手段４５では燃焼差圧最大値からの下降部の波形を燃料噴射量による発熱量に基づいて算出し、それぞれの波形を繋ぎ合せて算出するようにしたので、燃焼差圧波形の推定精度を高めることができる。
すなわち、単にステップ状に燃焼差圧最大値に立ち上がり、燃焼差圧最大値が一定に保持されるような波形ではなく、より実際の現象に近い波形とすることができる。

すなわち、具体的には、燃焼差圧最大値までの上昇部の波形を、１次遅れ関数として捉えて、むだ時間、時定数を予め試験によって設定したデータに基づいて設定したマップを用いて求めるため、圧力上昇時の波形を簡単に且つ実際に近い波形で推定することができる。

また、燃焼差圧最大値からの下降部の波形においては、エネルギ保存則を用いて、噴射燃料量に基づく発熱量が、内部エネルギＵの増加とピストンによる外部への仕事Ｗとに変換されるとみなして、一定量生じる仕事Ｗのもとではピストンの下降による筒内容積Ｖの増大に伴って燃焼差圧ΔＰは小さくなるため、これからΔＰの下降状態が推定されるので、下降部の波形を簡単に且つ実際に近い波形で推定することができる。

本実施形態では、以上のように実際の現象に近い筒内圧力の推定が可能になるため、推定した筒内圧力波形を用いて、Ｐｍａｘ（筒内圧最大値）の算出に基づいて燃料噴射量の制限や、その他、推定した筒内圧力波形を用いて熱発生率波形を計算して例えば熱発生率５０％のクランク角度をメイン燃料噴射時期のフィードバック目標値として着火遅れ制御を正確に行うことも可能であり、内燃機関の燃焼制御の精度を向上できる。

本発明によれば、筒内圧力検出手段（筒内圧センサ）を用いずに他の検出手段からの信号を基に筒内圧力波形を推定して、筒内圧力を精度よく且つコスト増加を伴わずに推定可能であるため、内燃機関の筒内圧波形推定方法及び推定装置への利用に適している。

１ エンジン（内燃機関）
１３ クランク角センサ
１５ エンジン回転数検出手段
１７ 燃焼室
２５ 吸気マニホールド
２９ 吸気弁
３１ 吸気マニホールド圧力センサ（圧力センサ）
３５ 筒内圧力波形推定装置
３７ 基準圧力波形算出手段
３９ 燃焼差圧波形算出手段
４１ 燃焼差圧最大値算出手段
４３ 上昇波形算出手段
４５ 下降波形算出手段
４７ 筒内圧力波形算出手段

Claims (6)

1. 内燃機関の筒内圧力波形の推定方法において、
   内燃機関の非燃焼時における基準筒内圧力波形を、筒内圧力センサを用いずに算出する基準圧力波形算出ステップと、
   予め設定された燃料噴射量と燃焼差圧最大値との関係に基づいて燃焼差圧最大値を算出する燃焼差圧最大値算出ステップと、
   燃焼差圧最大値までの上昇部の波形を遅れ関数を用いて算出する上昇波形算出ステップと、
   燃焼差圧最大値からの下降部の波形を燃料噴射量による発熱量に基づいて算出する下降波形算出ステップと、
   前記燃焼差圧最大値算出ステップと上昇波形算出ステップと下降波形算出ステップとによって算出された、それぞれの波形を繋ぎ合せて燃焼差圧波形を算出する燃焼差圧波形算出ステップと、
   前記基準圧力波形算出ステップによって算出された基準筒内圧力波形と前記燃焼差圧波形算出ステップにて算出された燃焼差圧波形とを加算して筒内圧力波形を算出する筒内圧力波形算出ステップと、を備えたことを特徴とする内燃機関の筒内圧力波形推定方法。
2. 前記基準圧力波形算出ステップは、内燃機関の圧縮行程時の筒内圧力Ｐ、筒内容積Ｖ、及び任意の定数ｎによる状態式ＰＶ^ｎと、膨張行程時の筒内圧力Ｐ'、筒内容積Ｖ'、及び任意の定数ｎによる状態式Ｐ'Ｖ'^ｎとが等しい関係式ＰＶ^ｎ＝Ｐ'Ｖ'^ｎに基づいて、圧縮行程前の吸気弁閉じ前の吸気マニホールド内の検出圧力Ｐを用いて前記膨張行程時の圧力Ｐ'を基準筒内圧力として算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の筒内圧力波形推定方法。
3. 前記上昇波形算出ステップは、１次遅れ関数を用いて予め内燃機関の運転状態に応じて設定されたむだ時間と時定数とを用いて算出されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の筒内圧力波形推定方法。
4. 前記下降波形算出ステップは、燃料噴射量による発熱量が筒内の温度上昇と外部への仕事量に変換される関係を用いて算出されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の筒内圧力波形推定方法。
5. 内燃機関の筒内圧力波形の推定装置において、
   内燃機関の非燃焼時における基準筒内圧力波形を、筒内圧力センサを用いずに算出する基準圧力波形算出手段と、
   予め設定された燃料噴射量と燃焼差圧最大値との関係に基づいて燃焼差圧最大値を算出する燃焼差圧最大値算出手段と、
   燃焼差圧最大値までの上昇部の波形を遅れ関数を用いて算出する上昇波形算出手段と、
   燃焼差圧最大値からの下降部の波形を燃料噴射量による発熱量に基づいて算出する下降波形算出手段と、
   前記燃焼差圧最大値算出手段と上昇波形算出手段と下降波形算出手段とによって算出されたそれぞれの波形を繋ぎ合せて燃焼差圧波形を算出する燃焼差圧波形算出手段と、
   前記基準圧力波形算出手段よって算出された基準筒内圧力波形と前記燃焼差圧波形算出手段によって算出された燃焼差圧波形とを加算して筒内圧力波形を算出する筒内圧力波形算出手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の筒内圧波形推定装置。
6. 吸気マニホールドに圧力センサを設け、前記基準圧力波形算出手段は、内燃機関の圧縮行程時の筒内圧力Ｐ、筒内容積Ｖ、及び任意の定数ｎによる状態式ＰＶ^ｎと、膨張行程時の筒内圧力Ｐ'、筒内容積Ｖ'、及び任意の定数ｎによる状態式Ｐ'Ｖ'^ｎとが等しい関係式ＰＶ^ｎ＝Ｐ'Ｖ'^ｎに基づいて、圧縮行程前の吸気弁閉じ前の吸気マニホールド圧力を前記圧力センサで検出し、検出圧力Ｐを用いて前記膨張行程時の圧力Ｐ'を基準筒内圧力として算出することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の筒内圧力波形推定装置。

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