JP2017040207A - Internal combustion engine control device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an internal combustion engine control device capable of highly accurately estimating a combustion state of each cylinder in an internal combustion engine including a plurality of cylinders.SOLUTION: Torsional vibration component identification means 17 identifies a frequency component of a torsional vibration from a crank angle detected in a period in which an internal combustion engine does not perform combustion and detection time, and frequency component adjustment means 18 decreases a component corresponding to the torsional vibration from the frequency component in a time function configured from a crank angle detected in a period including combustion and detection time. Angular velocity/angular acceleration calculation means 19 calculates a crank angular velocity and a crank angular acceleration by differentiating the time function from which the component corresponding to the torsional vibration component is decreased by a frequency space, external force torque estimation means 21 estimates a cylinder internal pressure by applying an external force torque, the angular velocity, and the angular acceleration to an equation of motion of a piston, a connecting rod, and a crankshaft, and combustion parameter calculation means 22 calculates a combustion parameter indicating a combustion state.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は、内燃機関の制御装置、更に詳しくは、内燃機関の燃焼状態を推定して燃焼状態を最適化するようにした内燃機関の制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for an internal combustion engine, and more particularly, to a control device for an internal combustion engine that optimizes the combustion state by estimating the combustion state of the internal combustion engine.

内燃機関の燃費性能やエミッション性能を良好にする上では、内燃機関の燃焼状態を計測し、その計測結果をフィードバックさせて制御する方法が有効である。そのためには内燃機関の燃焼状態を正確に計測することが重要である。内燃機関の燃焼状態は筒内圧力を計測することにより、正確に計測できることが広く知られている。従来では、例えば特許文献1に、クランク角度センサの出力信号から燃焼状態を推定する燃焼状態推定装置が開示されている。   In order to improve the fuel consumption performance and emission performance of the internal combustion engine, a method of controlling the combustion state of the internal combustion engine and feeding back the measurement result is effective. For that purpose, it is important to accurately measure the combustion state of the internal combustion engine. It is widely known that the combustion state of an internal combustion engine can be accurately measured by measuring the in-cylinder pressure. Conventionally, for example, Patent Literature 1 discloses a combustion state estimation device that estimates a combustion state from an output signal of a crank angle sensor.

特許第5026334号公報Japanese Patent No. 5026334

しかしながら、複数気筒を有する内燃機関では、これら複数気筒の燃焼ガス圧トルクが間欠的にクランクシャフトに伝達される。一方で、クランクシャフトは剛体ではなく弾性体であることから、クランクシャフトに捩り振動が発生する。従って、クランク角度センサで計測されるクランクシャフトのクランク角度位置、及びこのクランク角度位置が制御装置に入力された時刻から算出したクランク角速度、クランク角加速度は、それぞれ捩り振動の影響を受けることになる。特許文献1では、クランクシャフトを剛体として扱っているため、クランクシャフト上に捩り振動が発生する条件下に於いては、計測される燃焼状態は必ずしも正確ではない。   However, in an internal combustion engine having a plurality of cylinders, the combustion gas pressure torque of these cylinders is intermittently transmitted to the crankshaft. On the other hand, since the crankshaft is not a rigid body but an elastic body, torsional vibration is generated in the crankshaft. Therefore, the crank angle position of the crankshaft measured by the crank angle sensor and the crank angular velocity and crank angle acceleration calculated from the time when the crank angle position is input to the control device are each affected by torsional vibration. . In Patent Document 1, since the crankshaft is handled as a rigid body, the measured combustion state is not necessarily accurate under a condition in which torsional vibration is generated on the crankshaft.

この発明は、従来の内燃機関の制御装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたものであり、複数気筒を有する内燃機関に於いて、気筒毎の燃焼状態を精度良く推定することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems in a conventional control device for an internal combustion engine, and accurately estimates the combustion state of each cylinder in an internal combustion engine having a plurality of cylinders. An object of the present invention is to provide a control device for an internal combustion engine.

この発明による内燃機関の制御装置は、クランクシャフトに連結された複数の気筒を備えた内燃機関の制御装置であって、内燃機関におけるクランク角度と、当該クランク角度での時刻とを検出するクランク角度検出手段と、クランク角度検出手段で検出したクランク角度と時刻を記憶するクランク角度時刻記憶手段と、クランク角度時刻記憶手段から内燃機関の燃焼を含む期間に対応するクランク角度と時刻を得て、クランク角度に対する時刻の関数を周期関数と見なせる形に変換し、周期関数を周波数領域に変換する周波数領域変換手段と、クランク角度時刻記憶手段から内燃機関が燃焼していない期間に対応するクランク角度と時刻を得て、この期間のクランク角度に対する時刻の関数を周期関数と見なせる形に変換してから、周期関数を周波数領域に変換し、この周波数成分の大きさを基に、クランクシャフトの捩り振動に由来する成分を特定する捩り振動成分特定手段と、周波数領域変換手段により周波数領域に変換された周期関数の周波数成分の中から、捩り振動成分特定手段により特定された周波数成分に対応する成分を選択して、この成分量を調整する周波数成分調整手段と、周波数成分調整手段で調整された周波数成分に対して、周波数空間における代数的微分を利用し、クランク角度を引数とするクランクの角速度及び角加速度を算出する角速度及び角加速度算出手段と、内燃機関のピストン、コンロッド及びクランクを含む系の運動方程式が、慣性モーメントと角加速度と外力トルクとの関係式と見なすことができる特異クランク角度において、前記運動方程式で算出されるトルクを外力トルクと推定する外力トルク推定手段と、外力トルク推定手段で推定した外力トルクと角速度と角加速度を前記運動方程式に適用して、内燃機関の筒内圧力を推定する筒内圧力推定手段と、筒内圧力を基に内燃機関の燃焼状態を示すパラメータを算出する燃焼パラメータ算出手段を備えたものである。   An internal combustion engine control apparatus according to the present invention is an internal combustion engine control apparatus having a plurality of cylinders coupled to a crankshaft, and detects a crank angle in the internal combustion engine and a time at the crank angle. Detecting means, crank angle time storing means for storing the crank angle and time detected by the crank angle detecting means, and obtaining a crank angle and time corresponding to a period including combustion of the internal combustion engine from the crank angle time storing means, A function of time with respect to the angle is converted into a form that can be regarded as a periodic function, a frequency domain conversion unit that converts the periodic function into a frequency domain, and a crank angle and a time corresponding to a period in which the internal combustion engine is not combusted from the crank angle time storage unit The time function for the crank angle in this period is converted into a form that can be regarded as a periodic function, Is converted to the frequency domain, and based on the magnitude of the frequency component, the torsional vibration component specifying means for specifying the component derived from the torsional vibration of the crankshaft, and the periodic function converted to the frequency domain by the frequency domain converting means From the frequency components, a component corresponding to the frequency component specified by the torsional vibration component specifying means is selected, and the frequency component adjusting means for adjusting the amount of the component, and the frequency component adjusted by the frequency component adjusting means An equation of motion of a system including an angular velocity and angular acceleration calculating means for calculating an angular velocity and an angular acceleration of a crank using an algebraic differentiation in a frequency space as an argument, and a piston, a connecting rod and a crank of an internal combustion engine is provided. In the singular crank angle that can be regarded as a relational expression of moment of inertia, angular acceleration, and external force torque, The external force torque estimating means for estimating the torque calculated by the equation as an external force torque, and the external force torque, the angular velocity and the angular acceleration estimated by the external force torque estimating means are applied to the equation of motion to estimate the in-cylinder pressure of the internal combustion engine. In-cylinder pressure estimation means and combustion parameter calculation means for calculating a parameter indicating the combustion state of the internal combustion engine based on the in-cylinder pressure.

この発明による内燃機関の制御装置によれば、クランク角度検出手段で検出したクランク角度と時刻を記憶するクランク角度時刻記憶手段から内燃機関の燃焼を含む期間に対応するクランク角度と時刻を得て、クランク角度に対する時刻の関数を周期関数と見なせる形に変換し、周期関数を周波数領域に変換する周波数領域変換手段と、クランク角度時刻記憶手段から内燃機関が燃焼していない期間に対応するクランク角度と時刻を得て、この期間のクランク角度に対する時刻の関数を周期関数と見なせる形に変換してから、周期関数を周波数領域に変換し、この周波数成分の大きさを基に、クランクシャフトの捩り振動に由来する成分を特定する捩り振動成分特定手段と、周波数領域変換手段により周波数領域に変換された周期関数の周波数成分の中から、捩り振動成分特定手段により特定された周波数成分に対応する成分を選択して、この成分量を調整する周波数成分調整手段を備え、周波数成分調整手段からの周波数成分を利用して内燃機関の燃焼状態を示すパラメータを算出するので、弾性体であるクランクシャフトに捩り振動が発生している場合においても、内燃機関が燃焼していない期間のクランクシャフトの運動に関連する周波数成分を基に、クランクシャフトの捩り振動の周波数成分を特定し、内燃機関が燃焼している期間を含むクランク角度の角加速度を補正するため、外乱要素である捩り振動成分の影響を抑制して、正確に燃焼状態を推定する内燃機関の制御装置を提供することができる。   According to the control apparatus for an internal combustion engine according to the present invention, the crank angle and time corresponding to the period including combustion of the internal combustion engine are obtained from the crank angle time storage means for storing the crank angle and time detected by the crank angle detection means, A function of time with respect to the crank angle is converted into a form that can be regarded as a periodic function, a frequency domain conversion unit that converts the periodic function into a frequency domain, and a crank angle corresponding to a period in which the internal combustion engine is not combusted from the crank angle time storage unit, After obtaining the time and converting the function of time with respect to the crank angle during this period into a form that can be regarded as a periodic function, the periodic function is converted into the frequency domain, and the torsional vibration of the crankshaft is based on the magnitude of this frequency component. The torsional vibration component specifying means for specifying the component derived from the frequency of the periodic function converted to the frequency domain by the frequency domain converting means A component corresponding to the frequency component specified by the torsional vibration component specifying means is selected from the components, and a frequency component adjusting means for adjusting the amount of the component is provided, and the frequency component from the frequency component adjusting means is used. Since the parameter indicating the combustion state of the internal combustion engine is calculated, even when torsional vibration is generated in the crankshaft, which is an elastic body, the frequency component related to the movement of the crankshaft during the period in which the internal combustion engine is not combusting is obtained. Based on this, the frequency component of the torsional vibration of the crankshaft is specified and the angular acceleration of the crank angle including the combustion period of the internal combustion engine is corrected. Further, it is possible to provide a control device for an internal combustion engine that estimates a combustion state.

この発明の実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3、及び実施の形態4に係る内燃機関の制御装置の構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the control apparatus of the internal combustion engine which concerns on Embodiment 1, Embodiment 2, Embodiment 3, and Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態1による内燃機関の制御装置に於ける燃焼状態推定処理部の基本的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the combustion state estimation process part in the control apparatus of the internal combustion engine by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3、及び実施の形態4に係る内燃機関の制御装置に於ける燃焼状態推定の処理の流れを示すフローチャートである。5 is a flowchart showing a flow of processing for estimating a combustion state in a control device for an internal combustion engine according to Embodiment 1, Embodiment 2, Embodiment 3 and Embodiment 4 of the present invention. この発明の実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3、及び実施の形態4に係る内燃機関の制御装置に於けるクランク角度位置検出時刻の蓄積状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the accumulation | storage state of the crank angle position detection time in the control apparatus of the internal combustion engine which concerns on Embodiment 1, Embodiment 2, Embodiment 3, and Embodiment 4 of this invention. 内燃機関のクランク角速度を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the crank angular velocity of an internal combustion engine. 内燃機関の実際の筒内圧を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the actual cylinder pressure of an internal combustion engine. この発明の実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3、及び実施の形態4に係る内燃機関の制御装置に於ける、燃焼していない期間のクランク角度と検出時刻の時刻関数を周波数領域に変換して得られるスペクトルを説明するための図である。In the control apparatus for an internal combustion engine according to the first, second, third, and fourth embodiments of the present invention, the frequency function represents the crank angle during the non-combustion period and the time function of the detection time. It is a figure for demonstrating the spectrum obtained by converting into an area | region. この発明の実施の形態1による内燃機関の制御装置に於ける、燃焼を含む期間のクランク角度と検出時刻の時刻関数を周波数領域に変換して得られるスペクトルを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the spectrum obtained by converting the time function of the crank angle and detection time of the period including combustion in the control apparatus of the internal combustion engine by Embodiment 1 of this invention to a frequency domain. この発明の実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3、及び実施の形態4による内燃機関の制御装置に於ける、ピストン・クランク系の力学的な関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the dynamic relationship of a piston crank system in the control apparatus of the internal combustion engine by Embodiment 1, Embodiment 2, Embodiment 3, and Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態2による内燃機関の制御装置に於ける燃焼状態推定処理部の基本的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the combustion state estimation process part in the control apparatus of the internal combustion engine by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態3による内燃機関の制御装置に於ける燃焼状態推定処理部の基本的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the combustion state estimation process part in the control apparatus of the internal combustion engine by Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4による内燃機関の制御装置に於ける燃焼状態推定処理部の基本的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the combustion state estimation process part in the control apparatus of the internal combustion engine by Embodiment 4 of this invention.

以下、この発明による内燃機関の制御装置の好適な実施の形態について、図面を用いて説明する。   A preferred embodiment of an internal combustion engine control apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1、実施の形態2、実施の形態3、及び実施の形態4に係る内燃機関の制御装置の構成を示す構成図である。図1に於いて、内燃機関1は、第1気筒2a、第2気筒2b、第3気筒2c、及び第4気筒2dの4つの気筒を備えた4気筒の内燃機関であり、第1気筒2a、第2気筒2b、第3気筒2c、及び第4気筒2dのそれぞれの気筒で発生した燃焼ガスの圧力は、ピストン3の上面で受けとめられ、コンロッド4を介して一つのクランクシャフト5を回転させる動力としてクランクシャフト5に伝達される。クランクシャフト5の出力側端部から出力される出力トルクに基づいて車輛が駆動される。なお、クランクシャフト5の出力側端部には、フライホイール6が取り付けられている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of a control device for an internal combustion engine according to Embodiment 1, Embodiment 2, Embodiment 3, and Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 1, an internal combustion engine 1 is a four-cylinder internal combustion engine having four cylinders, that is, a first cylinder 2a, a second cylinder 2b, a third cylinder 2c, and a fourth cylinder 2d. The pressure of the combustion gas generated in each of the second cylinder 2b, the third cylinder 2c, and the fourth cylinder 2d is received by the upper surface of the piston 3 and rotates one crankshaft 5 via the connecting rod 4. It is transmitted to the crankshaft 5 as power. The vehicle is driven based on the output torque output from the output side end of the crankshaft 5. A flywheel 6 is attached to the output side end of the crankshaft 5.

クランク角度センサ7は、クランクシャフト5の軸方向の前端部である反出力側端部に取り付けられたクランク角度センサ用シグナルロータ8の周面に近接して配置されている。クランク角度センサ用シグナルロータ8は、その周面に所定の角度間隔を介して配設された複数個の突起物を備えている。クランク角度センサ7は、クランク角度センサ用シグナルロータ8の回転に伴ってクランク角度センサ用シグナルロータ8の各突起物がクランク角度センサ7に順次、接近と離脱を行なうことに対応して、パルス状のクランク角度信号を発生し、制御装置(ECUともいう)9に入力する。制御装置9は、クランク角度センサ7から入力されるクランク角度信号に基づいて、クランクシャフト5の反出力側端部の角度位置を検出する。   The crank angle sensor 7 is disposed in the vicinity of the peripheral surface of the crank angle sensor signal rotor 8 attached to the counter-output side end that is the front end in the axial direction of the crankshaft 5. The crank angle sensor signal rotor 8 includes a plurality of protrusions disposed on the peripheral surface thereof at predetermined angular intervals. The crank angle sensor 7 has a pulse shape corresponding to the fact that each protrusion of the crank angle sensor signal rotor 8 sequentially approaches and leaves the crank angle sensor 7 as the crank angle sensor signal rotor 8 rotates. The crank angle signal is generated and input to a control device (also referred to as ECU) 9. The control device 9 detects the angular position of the non-output side end of the crankshaft 5 based on the crank angle signal input from the crank angle sensor 7.

カムシャフト10は、クランクシャフト5とチェーン11で連結されており、クランクシャフト5が2回転する間にカムシャフト10は1回転する。カム角度センサ12は、カムシャフト10に取り付けられたカム角度センサ用シグナルロータ13の周面に近接して配置されている。カム角度センサ12は、カム角度センサ用シグナルロータ13の回転に伴ってその各突起物がカム角度センサ12に順次、接近と離脱を行なうことに対応してパルス状のカム角度信号を発生し、制御装置9に入力する。制御装置9は、カム角度センサ12から入力されるカム角度信号に基づいて、カムシャフト10のカム角度位置を検出する。   The camshaft 10 is connected to the crankshaft 5 by a chain 11, and the camshaft 10 rotates once while the crankshaft 5 rotates twice. The cam angle sensor 12 is disposed close to the peripheral surface of the cam angle sensor signal rotor 13 attached to the camshaft 10. The cam angle sensor 12 generates a pulsed cam angle signal in response to rotation of the cam angle sensor signal rotor 13 so that each protrusion sequentially approaches and separates from the cam angle sensor 12. Input to the control device 9. The control device 9 detects the cam angle position of the camshaft 10 based on the cam angle signal input from the cam angle sensor 12.

制御装置9は、ECU(Electronic Control Unit)により構成されている。制御装置9は、前述のように、クランク角度センサ7からのクランク角信号と、カム角度センサ12からのカム角度信号のそれぞれの角度情報に基づいて、第1気筒2a、第2気筒2b、第3気筒2c、及び第4気筒2dに於ける燃焼状態を推定する。尚、ここでは詳細な説明は割愛するが、制御装置9は、内燃機関1に供給する燃料量や点火タイミングを制御する機能を有しており、算出した燃焼パラメータに基づいて内燃機関1の第1気筒2a、第2気筒2b、第3気筒2c、及び第4気筒2dに於ける燃焼状態を推定して、理想の燃焼状態になる様に、燃料量や点火タイミングを制御することにより、燃費性能とエミッション性能の向上を実現する。   The control device 9 is configured by an ECU (Electronic Control Unit). As described above, the control device 9 determines the first cylinder 2a, the second cylinder 2b, the second cylinder 2 based on the angle information of the crank angle signal from the crank angle sensor 7 and the cam angle signal from the cam angle sensor 12. The combustion states in the third cylinder 2c and the fourth cylinder 2d are estimated. Although detailed description is omitted here, the control device 9 has a function of controlling the amount of fuel supplied to the internal combustion engine 1 and the ignition timing, and based on the calculated combustion parameters, By estimating the combustion state in the 1 cylinder 2a, the 2nd cylinder 2b, the 3rd cylinder 2c, and the 4th cylinder 2d, and controlling the fuel amount and the ignition timing so as to obtain an ideal combustion state, Improve performance and emission performance.

次に、制御装置9に設けられている燃焼状態推定処理部の構成について説明する。図2は、この発明の実施の形態1による内燃機関の制御装置に於ける、燃焼状態推定処理部の基本的構成を示すブロック図である。図2に於いて、制御装置9に設けられた燃焼状態推定処理部9Aは、クランク角度時刻記憶手段15と、周波数領域変換手段16と、捩り振動成分特定手段17と、周波数成分調整手段18と、角速度及び角加速度算出手段19と、筒内圧力推定手段20と、外力トルク推定手段21と、燃焼パラメータ算出手段22とを備えている。   Next, the structure of the combustion state estimation process part provided in the control apparatus 9 is demonstrated. FIG. 2 is a block diagram showing a basic configuration of a combustion state estimation processing unit in the control apparatus for an internal combustion engine according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, the combustion state estimation processing unit 9 </ b> A provided in the control device 9 includes a crank angle time storage unit 15, a frequency domain conversion unit 16, a torsional vibration component identification unit 17, and a frequency component adjustment unit 18. , An angular velocity and angular acceleration calculating means 19, an in-cylinder pressure estimating means 20, an external force torque estimating means 21, and a combustion parameter calculating means 22.

クランク角度時刻記憶手段15は、クランク角度検出手段14によって検出されたクランク角度と、その角度が検出された時刻をあらかじめ定められた所定期間だけ記憶しておく。このクランク角度検出手段14は、図1におけるクランク角度センサ7に相当するものである。   The crank angle time storage unit 15 stores the crank angle detected by the crank angle detection unit 14 and the time when the angle is detected for a predetermined period. The crank angle detection means 14 corresponds to the crank angle sensor 7 in FIG.

ここで所定期間とは、燃焼状態を推定する対象の気筒の前の気筒の燃焼が終了すると考えられる膨張行程のクランク角度(例えば、燃焼状態の推定対象となる気筒の圧縮上死点(以下、TDCと称する)を基準としてTDC−90[deg])から、燃焼状態を推定する対象の気筒の燃焼が終了すると考えられる膨張行程のクランク角度、あるいは、更にある程度の余裕を見込んだクランク角度(例えば、燃焼状態の推定対象となる気筒のTDC+180[deg])を少なくとも含むものとするが、これより長く記憶しても良い。   Here, the predetermined period is the crank angle of the expansion stroke that is considered to end the combustion of the cylinder in front of the cylinder for which the combustion state is estimated (for example, the compression top dead center (hereinafter, the cylinder for which the combustion state is to be estimated) (Referred to as TDC) as a reference, the crank angle of the expansion stroke at which the combustion of the target cylinder whose combustion state is to be estimated is considered to end, or the crank angle with a certain margin (for example, , At least including TDC + 180 [deg] of the cylinder to be estimated for the combustion state, it may be stored longer than this.

周波数領域変換手段16は、クランク角度時刻記憶手段15から内燃機関の燃焼を含む期間に対応するクランク角度とそれぞれのクランク角度を検出した時刻のデータを読み出して、クランク角度に対する時刻の関数を周期関数と見なせる形に変換し、この周期関数を周波数領域に変換する。   The frequency domain conversion means 16 reads the crank angle corresponding to the period including the combustion of the internal combustion engine and the data of the time at which each crank angle is detected from the crank angle time storage means 15, and the function of the time with respect to the crank angle is a periodic function. And convert this periodic function to the frequency domain.

捩り振動成分特定手段17は、内燃機関が燃焼を開始する前の期間のクランク角度とそれぞれのクランク角度を検出した時刻データ系列をクランク角度時刻記憶手段15から読み出すことで得て、この時刻データ系列を周期関数とみなせる形に変換してから、周波数領域に変換し、周波数成分を算出する。そして、この周波数成分で捩り振動の特徴を示す周波数成分を特定する。   The torsional vibration component specifying means 17 is obtained by reading out from the crank angle time storage means 15 the crank angle in the period before the internal combustion engine starts combustion and the time data series for detecting each crank angle. Is converted into a form that can be regarded as a periodic function, and then converted into the frequency domain to calculate a frequency component. And the frequency component which shows the characteristic of torsional vibration with this frequency component is specified.

周波数成分調整手段18は、周波数領域変換手段16により周期関数を周波数領域に変換された周期関数の周波数成分に対して、捩り振動成分特定手段17により特定された周波数成分の大きさを調整する。   The frequency component adjusting unit 18 adjusts the magnitude of the frequency component specified by the torsional vibration component specifying unit 17 with respect to the frequency component of the periodic function converted into the frequency domain by the frequency domain converting unit 16.

角速度及び角加速度算出手段19は、周波数成分調整手段18で調整された周波数成分に対して、周波数空間における代数的微分を利用し、前記クランク角度を引数とするクランクの角速度及び角加速度を算出する。   The angular velocity and angular acceleration calculating means 19 uses the algebraic differentiation in the frequency space for the frequency component adjusted by the frequency component adjusting means 18 to calculate the angular velocity and angular acceleration of the crank using the crank angle as an argument. .

筒内圧力推定手段20は、外力トルク推定手段21で推定した外力トルクと角速度及び角加速度算出手段19で算出した角速度と角加速度を内燃機関のピストン3、コンロッド4及びクランクシャフト5を含む系の運動方程式に適用して内燃機関の筒内圧力を推定する。   The in-cylinder pressure estimating means 20 is a system including the piston 3, the connecting rod 4 and the crankshaft 5 of the internal combustion engine that uses the external force torque estimated by the external force torque estimating means 21 and the angular velocity and angular acceleration calculated by the angular acceleration calculating means 19. The cylinder pressure of the internal combustion engine is estimated by applying to the equation of motion.

外力トルク推定手段21は、運動方程式がクランクシャフト周りの慣性モーメントと角加速度と外力トルクとの関係式と見なすことができる特異クランク角度において、運動方程式で算出されるトルクを外力トルクと推定する。   The external force torque estimation means 21 estimates the torque calculated by the equation of motion as an external force torque at a specific crank angle at which the equation of motion can be regarded as a relational expression of the moment of inertia around the crankshaft, angular acceleration, and external force torque.

燃焼パラメータ算出手段22は、筒内圧力推定手段20で推定した筒内圧力を基に内燃機関の燃焼状態を示す燃焼パラメータを算出する。   The combustion parameter calculation means 22 calculates a combustion parameter indicating the combustion state of the internal combustion engine based on the in-cylinder pressure estimated by the in-cylinder pressure estimation means 20.

次に、前述した制御装置9に於ける燃焼状態推定処理部9Aの処理の流れを詳細に説明する。図3は、この発明の実施の形態1、及び後述する実施の形態2、実施の形態3、実施の形態4による内燃機関の制御装置に於ける、燃焼状態推定の処理の流れを示すフローチャートである。
図3に於いて、ステップS301では、クランク角度検出手段14(図1におけるクランク角度センサ7に相当)により検出したクランク角度位置と、このクランク角度位置を検出した時刻と共にクランク角度時刻記憶手段15に記憶する。
Next, the processing flow of the combustion state estimation processing unit 9A in the control device 9 will be described in detail. FIG. 3 is a flowchart showing the flow of processing for estimating the combustion state in the control apparatus for an internal combustion engine according to the first embodiment of the present invention, and the second, third and fourth embodiments described later. is there.
3, in step S301, the crank angle position detected by the crank angle detecting means 14 (corresponding to the crank angle sensor 7 in FIG. 1) and the time at which this crank angle position is detected are stored in the crank angle time storing means 15. Remember.

具体的には、クランク角度位置θを検出した時刻を図4に示すように、角度位置θと対応させて検出時刻を記憶する。なお、この発明の実施の形態1による内燃機関の制御装置では、クランク角度センサ用シグナルロータ8に配設された突起物は、基準気筒(例えば第1気筒2a)のTDCから3[deg]間隔でクランクシャフト1回転あたり120個配設されている。   Specifically, the time when the crank angle position θ is detected is stored in correspondence with the angle position θ as shown in FIG. In the control apparatus for an internal combustion engine according to the first embodiment of the present invention, the protrusion disposed on the crank angle sensor signal rotor 8 is spaced by 3 [deg] from the TDC of the reference cylinder (for example, the first cylinder 2a). Thus, 120 pieces are arranged per one rotation of the crankshaft.

図5は、クランク角度検出手段14によって検出したクランク角度と時刻から算出した角速度の例を示すグラフである。また、図6は図5と同時に計測した内燃機関の実際の筒内圧力を示すグラフである。図5は角速度を算出する前にクランク角度時刻のデータ系列から、ノイズ除去を目的として高周波成分を除去している。このため、シグナルロータ上の突起物の製造公差に起因するクランク角速度のバラツキは除去されている。しかし、依然としてグラフ全域にわたって、図6に示した筒内圧力の挙動とは明らかに異なる高い周波数の変動が持続的に残留している。この変動の原因がクランクシャフトに生じる捩れ振動である。この捩れ振動による変動成分をクランクシャフトの角速度と角加速度から適正に取り除くことが出来なければ、内燃機関の筒内圧力を精度良く推定することができない。ひいては、内燃機関の燃焼状態を精度良く推定することができない。クランクシャフトの角速度あるいは角加速度からこの変動に対応する周波数成分を取り除くだけであれば、例えば低域通過フィルタを利用することにより実現できるが、筒内圧力は、図6に示すようにそれぞれの燃焼気筒のTDC近傍で急峻に変化する高周波成分を含んでいるため、単純に低域通過フィルタを利用するだけでは、筒内圧力の推定精度も低下してしまうことになる。   FIG. 5 is a graph showing an example of the angular velocity calculated from the crank angle detected by the crank angle detecting means 14 and the time. FIG. 6 is a graph showing the actual in-cylinder pressure of the internal combustion engine measured simultaneously with FIG. In FIG. 5, high-frequency components are removed from the crank angle time data series for the purpose of noise removal before calculating the angular velocity. For this reason, variations in crank angular speed due to manufacturing tolerances of protrusions on the signal rotor are eliminated. However, high frequency fluctuations that are clearly different from the behavior of the in-cylinder pressure shown in FIG. 6 remain throughout the entire graph. The cause of this fluctuation is torsional vibration generated in the crankshaft. Unless the fluctuation component due to the torsional vibration can be properly removed from the angular velocity and acceleration of the crankshaft, the in-cylinder pressure of the internal combustion engine cannot be accurately estimated. As a result, the combustion state of the internal combustion engine cannot be accurately estimated. If the frequency component corresponding to this variation is simply removed from the angular velocity or acceleration of the crankshaft, it can be realized by using, for example, a low-pass filter. Since a high-frequency component that changes sharply in the vicinity of the TDC of the cylinder is included, the estimation accuracy of the in-cylinder pressure is also lowered simply by using a low-pass filter.

次にステップS302では、クランク角度時刻記憶手段15から燃焼を含む期間に対応する一連のクランク角度と検出時刻を読み出すことで得て、時刻データ系列tb(θn)を構成する。このデータ系列は、内燃機関の燃焼状態を推測する期間を含んでいれば、クランク角度時刻記憶手段15に記憶されているデータの全て、あるいは一部から構成しても良い。実施の形態1では、クランク角度時刻記憶手段15に記憶されているデータの全てを利用してデータ系列を構成している。次に、この時刻データ系列tb(θn)を下記の式(1)の様に、周期関数と見なせる形の関数xb(θn)に変換する。   Next, in step S302, a series of crank angles and detection times corresponding to a period including combustion is read from the crank angle time storage means 15 to form a time data series tb (θn). As long as this data series includes a period for estimating the combustion state of the internal combustion engine, it may be composed of all or a part of the data stored in the crank angle time storage means 15. In the first embodiment, the data series is configured using all of the data stored in the crank angle time storage means 15. Next, the time data series tb (θn) is converted into a function xb (θn) that can be regarded as a periodic function, as shown in the following equation (1).

Figure 2017040207
ここで、αは次の式(2)で示される。
Figure 2017040207
Here, α is expressed by the following equation (2).

Figure 2017040207
次に、この周期関数xb(θn)を離散フーリエ変換を用いて、周波数領域の関数Xb(Ω)に変換する。一般に、Xb(Ω)は複素関数となる。
Figure 2017040207
Next, the periodic function xb (θn) is converted into a frequency domain function Xb (Ω) using discrete Fourier transform. In general, Xb (Ω) is a complex function.

次にステップS303では、クランク角度時刻記憶手段15から内燃機関が燃焼していない期間として、燃焼状態を推定する対象の気筒が燃焼を開始する前の期間のクランク角度と検出時刻を読み出すことで得て、時刻データ系列tu(θk)(s≦k≦e)を構成する。ここで、sはデータ系列の先頭の格納番号であり、燃焼状態の推定対象の気筒の1つ前の気筒の燃焼が終了するタイミングに設定される。またeは、データ系列の終端の格納番号であり、燃焼状態の推定対象の気筒が燃焼を開始する前のタイミングに設定されている。実施の形態1では、これらはあらかじめ実験的に決められており、例えば、明らかに内燃機関が燃焼しない期間として、−75[deg]から−30[deg](図4の格納番号nの6から21の一連のデータに対応する)のデータを読み出して時刻データ系列tu(θk)を構成している。次に、この時刻データ系列tu(θk)を下記の式(3)の様に、周期関数と見なせる形の関数xu(θk)に変換する。   Next, in step S303, the crank angle and the detection time are read out from the crank angle time storage means 15 as a period during which the internal combustion engine is not combusting, before the combustion target state cylinder starts combustion. Thus, a time data series tu (θk) (s ≦ k ≦ e) is formed. Here, s is a storage number at the head of the data series, and is set to a timing at which combustion of the cylinder immediately preceding the cylinder whose combustion state is to be estimated ends. Further, e is a storage number at the end of the data series, and is set to a timing before the combustion state estimation target cylinder starts combustion. In the first embodiment, these are experimentally determined in advance. For example, −75 [deg] to −30 [deg] (from 6 of storage number n in FIG. 4) is clearly set as a period during which the internal combustion engine does not burn. 21) (corresponding to a series of 21 data) is read out to form a time data series tu (θk). Next, the time data series tu (θk) is converted into a function xu (θk) in a form that can be regarded as a periodic function as shown in the following equation (3).

Figure 2017040207
ここで、βは次の式(4)で示される。
Figure 2017040207
Here, β is expressed by the following equation (4).

Figure 2017040207
次に、この周期関数xu(θk)を離散フーリエ変換を用いて、周波数領域の関数Xu(Ω)に変換する。
Figure 2017040207
Next, the periodic function xu (θk) is converted into a frequency domain function Xu (Ω) using discrete Fourier transform.

次に、関数Xu(Ω)の各周波数成分の大きさを示すスペクトルを算出する。捩り振動は、クランクシャフト周りの系の共振現象の一種であることから、振幅の減衰が遅く、エンジンが燃焼していない期間においても持続的に振動を継続している成分である。従って、この期間に発生する周波数成分のうちでその絶対値が大きいものは捩り振動であると特定することができる。図7には、Xu(Ω)のスペクトルを示している。ここで、捩り振動の判定値であるTHTVを超える周波数成分Ωtvを捩り振動による周波数成分であると判定する。   Next, a spectrum indicating the magnitude of each frequency component of the function Xu (Ω) is calculated. Torsional vibration is a kind of resonance phenomenon of the system around the crankshaft, and therefore is a component in which the amplitude decays slowly and continues to vibrate even when the engine is not combusting. Accordingly, it is possible to specify that the frequency component generated during this period has a large absolute value as torsional vibration. FIG. 7 shows the spectrum of Xu (Ω). Here, it is determined that the frequency component Ωtv exceeding THTV, which is the torsional vibration determination value, is a frequency component due to torsional vibration.

次にステップS304では、ステップS302で算出した、燃焼を含む期間に対応するクランク角の時刻データ系列を周波数領域に変換した関数Xb(Ω)の周波数成分を、ステップS303で特定した捩り振動による周波数成分に基づいて調整する。具体的には、図8に示すように、周波数成分Ωtvに関連する関数Xb(Ω)の周波数成分を0とする。成分調整後の関数Xb(Ω)をXbm(Ω)とする。   Next, in step S304, the frequency component of the function Xb (Ω) obtained by converting the time data series of the crank angle corresponding to the period including combustion calculated in step S302 into the frequency domain is the frequency due to the torsional vibration specified in step S303. Adjust based on ingredients. Specifically, as shown in FIG. 8, the frequency component of the function Xb (Ω) related to the frequency component Ωtv is set to zero. The function Xb (Ω) after component adjustment is assumed to be Xbm (Ω).

次にステップS305では、ステップS304で関数Xb(Ω)の周波数成分を調整して求めたXbm(Ω)を周波数空間において代数的微分を利用し、クランク角度を引数とするクランクの角速度ω(θ)と角加速度dω(θ)/dθを算出する。クランク角度を引数とするクランクの角速度ω(θ)は下記の式(5)で示される。   Next, in step S305, Xbm (Ω) obtained by adjusting the frequency component of the function Xb (Ω) in step S304 is obtained by using algebraic differentiation in the frequency space, and the crank angular velocity ω (θ ) And angular acceleration dω (θ) / dθ. The crank angular velocity ω (θ) with the crank angle as an argument is expressed by the following equation (5).

Figure 2017040207
ここで、時刻データの周期関数xbm(θ)の一次微分であるdxbm(θ)/dθは、xbm(θ)の離散フーリエ変換Xbm(Ω)にiΩ(iは虚数単位)を掛けたiΩ・Xbm(Ω)を逆離散フーリエ変換することにより求められる。
また、クランク角度を引数とするクランクの角加速度dω(θ)/dθは次の式(6)で示される。
Figure 2017040207
Here, dxbm (θ) / dθ, which is the first derivative of the periodic function xbm (θ) of the time data, is iΩ · multiplier obtained by multiplying the discrete Fourier transform Xbm (Ω) of xbm (θ) by iΩ (i is an imaginary unit). Xbm (Ω) is obtained by inverse discrete Fourier transform.
Also, the angular acceleration dω (θ) / dθ of the crank with the crank angle as an argument is expressed by the following equation (6).

Figure 2017040207
ここで、時刻データの周期関数xbm(θ)の二次微分であるdxbm(θ)/dθは、xbm(θ)の離散フーリエ変換Xbm(Ω)に(iΩ)(iは虚数単位)を掛けた(iΩ)・Xbm(Ω)を逆離散フーリエ変換することにより求められる。
Figure 2017040207
Here, d 2 xbm (θ) / dθ 2 which is the second derivative of the periodic function xbm (θ) of the time data is expressed as (iΩ) 2 (i is an imaginary number) in the discrete Fourier transform Xbm (Ω) of xbm (θ). (IΩ) multiplied by (unit) 2 · Xbm (Ω) is obtained by inverse discrete Fourier transform.

次にステップS306では、ステップS305で算出したクランク角速度とクランク角加速度を、下記の式(7)に示すピストン3、コンロッド4及びクランクシャフト5を含む運動方程式に適用して外力トルクを推定する。この運動方程式の対象となる系を図9に示す。   Next, in step S306, the crank angular velocity and crank angular acceleration calculated in step S305 are applied to the equation of motion including the piston 3, the connecting rod 4 and the crankshaft 5 shown in the following equation (7) to estimate the external force torque. FIG. 9 shows a system that is an object of this equation of motion.

Figure 2017040207
ここで、Iは慣性モーメント、Sはピストン3の頂面投影面積、mpはピストン3の質量、rはクランクシャフト5の半径であり、これらは設計時点で決まる値である。また、jは気筒番号を示すパラメータ、Nは気筒数(実施の形態1ではN=4)である。また、Pcyljはj番気筒の筒内圧力、ajはj番気筒のピストンの往復方向の加速度である。θjはj番気筒のクランク角度、すなわち、j番気筒のピストンの往復運動方向とクランクシャフト5とがなすクランクシャフト5の回転中心における角度θである。φjはj番気筒のピストン3の往復運動方向とコンロッド4とがなすピストン3とコンロッド4との接続点における角度φである。また、Tは内燃機関に掛かるフリクショントルクや走行負荷などの外力トルクである。
Figure 2017040207
Here, I is the moment of inertia, S is the projected area of the top surface of the piston 3, mp is the mass of the piston 3, and r is the radius of the crankshaft 5. These are values determined at the time of design. Further, j is a parameter indicating the cylinder number, and N is the number of cylinders (N = 4 in the first embodiment). Pcylj is the in-cylinder pressure of the j-th cylinder, and aj is the acceleration in the reciprocating direction of the piston of the j-th cylinder. θj is the crank angle of the j-th cylinder, that is, the angle θ at the rotation center of the crankshaft 5 formed by the reciprocating direction of the piston of the j-th cylinder and the crankshaft 5. φj is an angle φ at the connecting point between the piston 3 and the connecting rod 4 formed by the connecting rod 4 and the reciprocating direction of the piston 3 of the j-th cylinder. Further, TL is an external force torque such as a friction torque or a traveling load applied to the internal combustion engine.

ピストンの上下死点である、クランク角度θj=0、180、360、540[deg]において、式(7)は下記の式(8)となる。これらの角度を特異クランク角度と呼ぶ。   At the crank angle θj = 0, 180, 360, 540 [deg], which is the top and bottom dead center of the piston, the equation (7) becomes the following equation (8). These angles are called singular crank angles.

Figure 2017040207
従って、クランク角度θj=0、180、360、540[deg]の時点で、慣性モーメントとクランク角加速度の積に(−1)を乗じることにより、外力トルクを推定することができる。
Figure 2017040207
Therefore, at the time of crank angle θj = 0, 180, 360, 540 [deg], the external force torque can be estimated by multiplying the product of the moment of inertia and the crank angular acceleration by (−1).

次にステップS307では、ステップS306で推定した外部トルクTを用いて、内燃機関の筒内圧力を推定する。具体的には、式(7)で示される運動方程式に特異クランク角で得られた式(8)のTを代入する。式(7)を現在燃焼中のb番目の気筒(すなわちj=b)の筒内圧力Pcylbについて整理すると下記の式(9)となる。 Next, in step S307, the in-cylinder pressure of the internal combustion engine is estimated using the external torque TL estimated in step S306. Specifically, the TL of Expression (8) obtained with the singular crank angle is substituted into the equation of motion represented by Expression (7). When formula (7) is arranged for the in-cylinder pressure Pcylb of the b-th cylinder (that is, j = b) that is currently burning, the following formula (9) is obtained.

Figure 2017040207
ここで、j番気筒の筒内圧力Pcyljは、シリンダに吸入された空気と燃料の混合気の圧力Pujと、燃料が燃焼することによって得られるガス圧力ΔPbjの和によって次の式(10)の様に表される。
Figure 2017040207
Here, the in-cylinder pressure Pcylj of the j-th cylinder is expressed by the following equation (10) by the sum of the pressure Puj of the air / fuel mixture sucked into the cylinder and the gas pressure ΔPbj obtained by the combustion of the fuel. It is expressed as

Figure 2017040207
4気筒エンジンでは、各気筒の膨張行程は重ならないため、現在燃焼中のb番目の気筒以外の気筒のΔPbjは全て0になる。従って、式(9)は次の式(11)の様に表される。
Figure 2017040207
In a four-cylinder engine, the expansion strokes of the cylinders do not overlap, so that ΔPbj of all cylinders other than the b-th cylinder that is currently in combustion is 0. Therefore, Expression (9) is expressed as the following Expression (11).

Figure 2017040207
燃焼していない気筒のシリンダの圧力Pujに関しては、検出したクランク角度に基づいて各気筒の筒内容積が求まるため、内燃機関の吸入する空気の量を検出すれば、これを例えば筒内での断熱変化と考えて、圧力Pujを求めることができる。ピストンの往復方向の加速度ajに関しては、次の式(12)で求められる。
Figure 2017040207
With respect to the pressure Puj of the cylinder of the non-combusted cylinder, the in-cylinder volume of each cylinder is obtained based on the detected crank angle. Therefore, if the amount of air taken in by the internal combustion engine is detected, this can be calculated, for example, in the cylinder. The pressure Puj can be obtained by considering an adiabatic change. The acceleration aj in the reciprocating direction of the piston is obtained by the following equation (12).

Figure 2017040207
従って、式(11)を用いて燃焼気筒の筒内圧力Pcylbを得ることができる。
Figure 2017040207
Therefore, the in-cylinder pressure Pcylb of the combustion cylinder can be obtained using the equation (11).

ステップS308では、ステップS307で得られた燃焼気筒の筒内圧力Pcylbを用いて燃焼パラメータを算出する。クランク角度毎に得られた筒内圧力Pcylb(θ)より、下記の式(13)を用いて公知のクランク角度毎の熱発生速度dQ(θ)/dθを得ることができる。その後リターン状態となり、上述の燃焼状態推定処理を繰り返し継続する。   In step S308, the combustion parameter is calculated using the in-cylinder pressure Pcylb of the combustion cylinder obtained in step S307. From the in-cylinder pressure Pcylb (θ) obtained for each crank angle, the heat generation rate dQ (θ) / dθ for each known crank angle can be obtained using the following equation (13). Thereafter, a return state is established, and the above-described combustion state estimation process is continued repeatedly.

Figure 2017040207
ここでκは燃料と空気の混合気の比熱比であり、具体的には1.3〜1.4の値である。次に燃焼パラメータである質量燃焼割合MFB(θ)を求める。質量燃焼割合MFB(θ)は、燃焼期間全域で得られた総熱発生量に対する、クランク角度θまでの累積熱発生量であり、次の式(14)で算出される。
Figure 2017040207
Here, κ is the specific heat ratio of the mixture of fuel and air, specifically a value of 1.3 to 1.4. Next, a mass combustion ratio MFB (θ) which is a combustion parameter is obtained. The mass combustion ratio MFB (θ) is the cumulative heat generation amount up to the crank angle θ with respect to the total heat generation amount obtained over the entire combustion period, and is calculated by the following equation (14).

Figure 2017040207
ここで、燃焼期間全域で得た総熱発生量Qtotalは次の式(15)で示される。
Figure 2017040207
Here, the total heat generation amount Qtotal obtained over the entire combustion period is expressed by the following equation (15).

Figure 2017040207
一般に、質量燃焼割合が50%となるクランク角度、すなわちMFB(θ)=0.5となるクランク角度θが、圧縮上死点後8〜10[deg]となる様に燃焼状態を制御することにより、燃費性能やエミッション性能が最適となることが判っている。そこで、制御装置9は、燃焼状態推定処理部9Aで燃焼パラメータとしてクランク角毎に質量燃焼割合を算出し、この値が0.5となるクランク角度が圧縮上死点後8〜10[deg]となる様に点火タイミングを制御する。
Figure 2017040207
Generally, the combustion state is controlled so that the crank angle at which the mass combustion ratio is 50%, that is, the crank angle θ at which MFB (θ) = 0.5 is 8 to 10 [deg] after compression top dead center. Has been found to optimize fuel efficiency and emissions performance. Therefore, the control device 9 calculates the mass combustion ratio for each crank angle as a combustion parameter in the combustion state estimation processing unit 9A, and the crank angle at which this value becomes 0.5 is 8 to 10 [deg] after compression top dead center. The ignition timing is controlled so that

以上のように、実施の形態1による内燃機関の制御装置によれば、弾性体であるクランクシャフトに捩り振動が発生している場合においても、内燃機関が燃焼していない期間のクランクシャフトの運動に関連する周波数成分を基に、クランクシャフトの捩り振動の周波数成分を特定し、内燃機関が燃焼している期間を含むクランク角度の角加速度を補正するため、外乱要素である捩り振動成分の影響を抑制して、正確に燃焼状態を推定することができる。   As described above, according to the control apparatus for an internal combustion engine according to the first embodiment, even when torsional vibration is generated in the crankshaft that is an elastic body, the crankshaft motion during a period in which the internal combustion engine is not combusting. In order to identify the frequency component of the torsional vibration of the crankshaft based on the frequency component related to, and to correct the angular acceleration of the crank angle including the period during which the internal combustion engine is burning, the influence of the torsional vibration component that is a disturbance element And the combustion state can be estimated accurately.

実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2による内燃機関の制御装置について説明する。前述の実施の形態1による内燃機関の制御装置に於いて、内燃機関が燃焼していない期間のクランクシャフトの運動に関連する周波数成分を基に、クランクシャフトの捩り振動の周波数成分を特定し、内燃機関が燃焼している期間を含むクランク角度の角加速度を補正するため
、外乱要素である捩り振動成分の影響を抑制して、正確に燃焼状態を推定する内燃機関の制御装置を提供することができることを示した。
Embodiment 2. FIG.
Next, a description will be given of an internal combustion engine control apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the control apparatus for an internal combustion engine according to the first embodiment, the frequency component of the torsional vibration of the crankshaft is specified based on the frequency component related to the movement of the crankshaft during the period in which the internal combustion engine is not combusting, To provide a control device for an internal combustion engine that accurately estimates the combustion state by suppressing the influence of a torsional vibration component that is a disturbance element in order to correct the angular acceleration of the crank angle including the period during which the internal combustion engine is burning. It was shown that you can.

しかし、実施の形態1では、内燃機関が燃焼していない期間(以下、非燃焼期間と称する)をあらかじめ実験的に固定値として決めている。内燃機関の動作条件が変更されても、確実に非燃焼期間を確保するためには、燃焼状態の推定対象となる燃焼期間よりも充分前に非燃焼期間の終端のタイミングを決めておく必要があるので、非燃焼期間は短くなってしまう。捩り振動成分を抽出するために用いる離散フーリエ変換は、サンプリングする点数が少なくなると、周波数分解能が低下してしまうため、捩り振動成分の抽出精度が低下してしまう。   However, in the first embodiment, a period during which the internal combustion engine is not combusting (hereinafter referred to as a non-combustion period) is experimentally determined as a fixed value in advance. In order to ensure the non-combustion period even when the operating conditions of the internal combustion engine are changed, it is necessary to determine the end timing of the non-combustion period sufficiently before the combustion period to be estimated for the combustion state. As a result, the non-burning period is shortened. In the discrete Fourier transform used to extract the torsional vibration component, if the number of points to be sampled decreases, the frequency resolution decreases, and therefore the torsional vibration component extraction accuracy decreases.

実施の形態2による内燃機関の制御装置は、実施の形態1による内燃機関の制御装置に於ける前述のような課題を解決するものである。以下、実施の形態2による内燃機関の制御装置について説明する。尚、捩り振動成分特定手段17以外は、前述の実施の形態1による内燃機関の制御装置の説明内容と同一であるため、それらの説明は省略する。   The control apparatus for an internal combustion engine according to the second embodiment solves the above-described problems in the control apparatus for the internal combustion engine according to the first embodiment. Hereinafter, the control apparatus for an internal combustion engine according to the second embodiment will be described. Except for the torsional vibration component specifying means 17, since it is the same as the description of the control device for an internal combustion engine according to the first embodiment, the description thereof is omitted.

図10は、この発明の実施の形態2による内燃機関の制御装置に於ける、燃焼状態推定処理部9Aの基本的構成を示すブロック図である。実施の形態2による内燃機関の制御装置では、前述の実施の形態1による内燃機関の制御装置の場合の図2の捩り振動成分特定手段17の構成を変更している。図10に於いて、捩り振動成分特定手段17は、非燃焼期間設定手段23を有している。   FIG. 10 is a block diagram showing a basic configuration of a combustion state estimation processing unit 9A in the control apparatus for an internal combustion engine according to the second embodiment of the present invention. In the control apparatus for an internal combustion engine according to the second embodiment, the configuration of the torsional vibration component specifying means 17 in FIG. 2 in the case of the control apparatus for the internal combustion engine according to the first embodiment is changed. In FIG. 10, the torsional vibration component specifying means 17 has a non-combustion period setting means 23.

非燃焼期間設定手段23は、制御装置9が有する点火タイミングを制御する機能から点火タイミングを取得し、捩り振動成分特定手段17がクランク角度時刻記憶手段15から読み出すクランク角度と検出時刻の範囲を設定する。具体的には、クランク角度時刻記憶手段15から読み出すクランク角度と検出時刻の終端のタイミングを点火タイミングを基に設定する。火花点火内燃機関の場合、点火タイミング以降に燃焼が開始することから、点火タイミングまで、あるいは点火タイミング後に空気と燃料の混合気に着火するまでを非燃焼期間として扱える。なお、点火タイミング後に空気と燃料の混合気に着火するまでの期間は、クランク角度の次元の定数であり、内燃機関の点火タイミングや燃料量から実験的に求まる。従って、実施の形態1に比べて長い期間の非燃焼期間を確保することができ、捩り振動成分を抽出するために用いる離散フーリエ変換のサンプリングする点数を増加させることが出来る。ひいては、捩り振動成分の抽出精度を向上することができる。   The non-combustion period setting means 23 acquires the ignition timing from the function of controlling the ignition timing of the control device 9, and sets the crank angle and detection time range that the torsional vibration component specifying means 17 reads from the crank angle time storage means 15. To do. Specifically, the crank angle read from the crank angle time storage means 15 and the end timing of the detection time are set based on the ignition timing. In the case of a spark ignition internal combustion engine, since combustion starts after the ignition timing, the period until the ignition timing or until the air-fuel mixture is ignited after the ignition timing can be treated as a non-combustion period. The period until the air-fuel mixture is ignited after the ignition timing is a constant of the dimension of the crank angle, and is experimentally determined from the ignition timing of the internal combustion engine and the fuel amount. Therefore, a longer non-burning period can be ensured than in the first embodiment, and the number of sampling points of the discrete Fourier transform used for extracting the torsional vibration component can be increased. As a result, the extraction accuracy of the torsional vibration component can be improved.

以上のように、実施の形態2による内燃機関の制御装置によれば、実施の形態1と同様の効果が得られ、更に、点火タイミングを基に非燃焼期間を設定することにより、長い期間の非燃焼期間を確保することができ、捩り振動成分を抽出するために用いる離散フーリエ変換のサンプリングする点数を増加させることが出来る。このため、捩り振動成分の抽出精度を向上することができ、外乱要素である捩り振動成分の影響を適正に抑制して、正確に燃焼状態を推定することができる。   As described above, according to the control apparatus for an internal combustion engine according to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and further, by setting the non-combustion period based on the ignition timing, A non-burning period can be ensured, and the number of sampling points of the discrete Fourier transform used for extracting the torsional vibration component can be increased. For this reason, the extraction accuracy of the torsional vibration component can be improved, the influence of the torsional vibration component that is a disturbance element can be appropriately suppressed, and the combustion state can be accurately estimated.

実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3による内燃機関の制御装置について説明する。前述の実施の形態1による内燃機関の制御装置に於いて、非燃焼期間のクランクシャフトの運動に関連する周波数成分を基に、クランクシャフトの捩り振動の周波数成分を特定し、内燃機関が燃焼している期間を含むクランク角度の角加速度を補正する事を示した。しかしながら、非燃焼期間中において、一部の特定期間のみに捩り振動とは異なる突発的かつ偶発的な振動が生じる場合に離散フーリエ変換を行うと、これら突発的な振動の周波数成分を多く検出してしまうため、捩り振動とは関係の無い周波数成分を捩り振動成分であると誤って判定してしまい、燃焼を含む期間のクランク角の時刻データ系列から除去してしまうこ
とになる。この結果、筒内圧の推定精度が低下して、燃焼状態の推定精度が低下する。
Embodiment 3 FIG.
Next, a description will be given of an internal combustion engine control apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In the control apparatus for an internal combustion engine according to the first embodiment described above, the frequency component of the torsional vibration of the crankshaft is specified based on the frequency component related to the movement of the crankshaft during the non-combustion period, and the internal combustion engine burns. It was shown that the angular acceleration of the crank angle including the period is corrected. However, if sudden and accidental vibrations that differ from torsional vibrations occur only during some specific periods during the non-combustion period, the discrete Fourier transform will detect many frequency components of these sudden vibrations. Therefore, a frequency component unrelated to torsional vibration is erroneously determined to be a torsional vibration component, and is removed from the crank angle time data series in the period including combustion. As a result, the estimation accuracy of the in-cylinder pressure decreases, and the estimation accuracy of the combustion state decreases.

実施の形態3による内燃機関の制御装置は、実施の形態1による内燃機関の制御装置に於ける前述のような課題を解決するものである。以下、実施の形態3による内燃機関の制御装置について説明する。尚、捩り振動成分特定手段17以外は、前述の実施の形態1による内燃機関の制御装置の説明内容と同一であるため、それらの説明は省略する。   The control apparatus for an internal combustion engine according to the third embodiment solves the aforementioned problems in the control apparatus for the internal combustion engine according to the first embodiment. The internal combustion engine control apparatus according to Embodiment 3 will be described below. Except for the torsional vibration component specifying means 17, since it is the same as the description of the control device for an internal combustion engine according to the first embodiment, the description thereof is omitted.

図11は、この発明の実施の形態3による内燃機関の制御装置に於ける、燃焼状態推定処理部9Aの基本的構成を示すブロック図である。実施の形態3による内燃機関の制御装置では、前述の実施の形態1による内燃機関の制御装置の場合の図2の捩り振動成分特定手段17の構成を変更している。図11に於いて、捩り振動成分特定手段17は、振動継続成分抽出手段24を有している。   FIG. 11 is a block diagram showing a basic configuration of a combustion state estimation processing unit 9A in the control apparatus for an internal combustion engine according to Embodiment 3 of the present invention. In the control apparatus for an internal combustion engine according to the third embodiment, the configuration of the torsional vibration component specifying means 17 in FIG. 2 in the case of the control apparatus for the internal combustion engine according to the first embodiment is changed. In FIG. 11, the torsional vibration component specifying means 17 has a vibration continuation component extracting means 24.

振動継続成分抽出手段24は、非燃焼期間の間にクランク角度の範囲を変えながら複数回の離散フーリエ変換を行う。前述の様に、捩り振動は、クランクシャフト周りの系の共振現象の一種であることから、振幅の減衰が遅く、非燃焼期間においても持続的に振動を継続している。従って、複数回の離散フーリエ変換で得られた複数のスペクトル特性に対して、大きさが捩り振動の判定値であるTHTVを超え、かつ、その分散があらかじめ定められた所定値SGMTVより小さい場合に、この周波数成分を捩り振動と特定することにより、突発的に発生した偶発的な振動成分は捩り振動の判定から除外できる。   The vibration continuation component extraction means 24 performs a discrete Fourier transform a plurality of times while changing the crank angle range during the non-burning period. As described above, the torsional vibration is a kind of resonance phenomenon of the system around the crankshaft. Therefore, the attenuation of the amplitude is slow, and the vibration continues continuously even in the non-combustion period. Accordingly, when a plurality of spectral characteristics obtained by a plurality of discrete Fourier transforms exceed THTV, which is a torsional vibration determination value, and the variance is smaller than a predetermined value SGMTV. By specifying this frequency component as torsional vibration, accidental vibration component that occurs suddenly can be excluded from the determination of torsional vibration.

以上のように、実施の形態3による内燃機関の制御装置によれば、実施の形態1と同様の効果が得られ、更に、振動継続成分抽出手段24は、非燃焼期間の間にクランク角度の期間を変えながら複数回の離散フーリエ変換を行う。前述の様に、捩り振動は、クランクシャフト周りの系の共振現象の一種であることから、振幅の減衰が遅く、非燃焼期間においても持続的に振動を継続している。従って、複数回の離散フーリエ変換で得られた複数のスペクトルに対して、大きさが捩り振動の判定値であるTHTVを超え、かつ、その分散が所定値SGMTVより小さい場合に、この周波数成分を捩り振動と特定することにより、突発的に発生した偶発的な振動成分は捩り振動の判定から除外できる。このため、捩り振動成分の抽出精度を向上することができ、外乱要素である捩り振動成分の影響を適正に抑制して、正確に燃焼状態を推定することができる。   As described above, according to the control apparatus for an internal combustion engine according to the third embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Multiple discrete Fourier transforms are performed while changing the period. As described above, the torsional vibration is a kind of resonance phenomenon of the system around the crankshaft. Therefore, the attenuation of the amplitude is slow, and the vibration continues continuously even in the non-combustion period. Therefore, for a plurality of spectra obtained by a plurality of discrete Fourier transforms, when the magnitude exceeds THTV, which is a torsional vibration determination value, and its variance is smaller than a predetermined value SGMTV, this frequency component is By specifying torsional vibrations, accidental vibration components that occur suddenly can be excluded from the determination of torsional vibrations. For this reason, the extraction accuracy of the torsional vibration component can be improved, the influence of the torsional vibration component that is a disturbance element can be appropriately suppressed, and the combustion state can be accurately estimated.

実施の形態4.
次に、この発明の実施の形態4による内燃機関の制御装置について説明する。前述の実施の形態1による内燃機関の制御装置に於いて、非燃焼期間のクランクシャフトの運動に関連する周波数成分を基に、クランクシャフトの捩り振動の周波数成分を特定し、内燃機関が燃焼している期間を含むクランク角度の角加速度を補正する方法として、当該周波数成分を0とする事を示した。しかしながら、燃焼によって生じるクランク角の時刻データ系列の変化に捩り振動と同じ、あるいは近い周波数帯が含まれている場合においても、この周波数帯の信号成分がすべて除去されてしまう。この結果、筒内圧の推定精度が低下して、燃焼状態の推定精度が低下する。
Embodiment 4 FIG.
Next, a description will be given of an internal combustion engine control apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. In the control apparatus for an internal combustion engine according to the first embodiment described above, the frequency component of the torsional vibration of the crankshaft is specified based on the frequency component related to the movement of the crankshaft during the non-combustion period, and the internal combustion engine burns. As a method of correcting the angular acceleration of the crank angle including a certain period, it has been shown that the frequency component is zero. However, even when the change in the time data series of the crank angle caused by combustion includes a frequency band that is the same as or close to the torsional vibration, all signal components in this frequency band are removed. As a result, the estimation accuracy of the in-cylinder pressure decreases, and the estimation accuracy of the combustion state decreases.

実施の形態4による内燃機関の制御装置は、実施の形態1による内燃機関の制御装置に於ける前述のような課題を解決するものである。以下、実施の形態4による内燃機関の制御装置について説明する。尚、周波数成分調整手段18以外は、前述の実施の形態1による内燃機関の制御装置の説明内容と同一であるため、それらの説明は省略する。   The control apparatus for an internal combustion engine according to the fourth embodiment solves the above-described problems in the control apparatus for the internal combustion engine according to the first embodiment. Hereinafter, an internal combustion engine control apparatus according to Embodiment 4 will be described. Since the components other than the frequency component adjusting unit 18 are the same as those described in the control device for the internal combustion engine according to the first embodiment, the description thereof is omitted.

図12は、この発明の実施の形態4による内燃機関の制御装置に於ける、燃焼状態推定処理部9Aの基本的構成を示すブロック図である。実施の形態4による内燃機関の制御装置では、前述の実施の形態1による内燃機関の制御装置の場合の図2の周波数成分調整手
段18の構成を変更している。図12に於いて、周波数成分調整手段18は、成分調整量決定手段25を有している。
FIG. 12 is a block diagram showing a basic configuration of a combustion state estimation processing unit 9A in the control apparatus for an internal combustion engine according to the fourth embodiment of the present invention. In the control apparatus for an internal combustion engine according to the fourth embodiment, the configuration of the frequency component adjusting means 18 in FIG. 2 in the case of the control apparatus for an internal combustion engine according to the first embodiment is changed. In FIG. 12, the frequency component adjusting means 18 has a component adjustment amount determining means 25.

成分調整量決定手段25は、非燃焼期間の離散フーリエ変換で得られたスペクトル|Xu(Ωtv)|に対して、大きさが捩り振動の判定値であるTHTVを超えるものに対して、そのスペクトル量の大きさに応じて、燃焼を含む期間のクランク角の時刻データ系列の周波数関数Xb(Ωtv)の絶対値を縮小させる。例えば、|Xu(Ωtv)|>THTVの場合に、成分調整後の関数をXbm(Ωtv)とすると、下記の式(16)の様に補正する。   The component adjustment amount determining means 25 is configured to detect the spectrum | Xu (Ωtv) | obtained by the discrete Fourier transform in the non-combustion period, the spectrum of which exceeds THTV which is a torsional vibration determination value. The absolute value of the frequency function Xb (Ωtv) of the time data series of the crank angle in the period including combustion is reduced according to the magnitude of the quantity. For example, when | Xu (Ωtv) |> THTV, assuming that the component-adjusted function is Xbm (Ωtv), correction is performed as shown in the following equation (16).

Figure 2017040207
このようにすることで、燃焼を含む期間のクランク角の時刻データ系列から、捩り振動成分に対応する周波数成分を適正に減少させることができる。
Figure 2017040207
By doing so, it is possible to appropriately reduce the frequency component corresponding to the torsional vibration component from the time data series of the crank angle in the period including combustion.

以上のように、実施の形態4による内燃機関の制御装置によれば、実施の形態1と同様の効果が得られ、更に、捩り振動成分のスペクトルの大きさに応じて燃焼を含む期間のクランク角の時刻データ系列の周波数関数を縮小させることにより、燃焼を含む期間のクランク角の時刻データ系列から、適正に捩り振動成分を除去できるため、燃焼によって生じるクランク角の時刻データ系列の変化に捩り振動と同じ、あるいは近い周波数帯が含まれている場合においても正確に燃焼状態を推定することができる。   As described above, according to the control apparatus for an internal combustion engine according to the fourth embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and further, the crank in the period including combustion according to the magnitude of the spectrum of the torsional vibration component can be obtained. By reducing the frequency function of the time data series of corners, the torsional vibration component can be properly removed from the time data series of crank angles during the period including combustion. Even when the frequency band that is the same as or close to the vibration is included, the combustion state can be accurately estimated.

この発明は、その発明の範囲において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することができる。   In the scope of the present invention, the embodiments can be freely combined, or the embodiments can be appropriately modified or omitted.

14 クランク角度検出手段、15 クランク角度時刻記憶手段、16 周波数領域変換手段、17 捩り振動成分特定手段、18 周波数成分調整手段、19 角速度及び角加速度算出手段、 20 筒内圧力推定手段、 21 外力トルク推定手段、 22 燃焼パラメータ算出手段、23 非燃焼期間設定手段、24 振動継続成分抽出手段、25 成分調整量決定手段 14 Crank angle detection means, 15 Crank angle time storage means, 16 Frequency domain conversion means, 17 Torsional vibration component identification means, 18 Frequency component adjustment means, 19 Angular velocity and angular acceleration calculation means, 20 In-cylinder pressure estimation means, 21 External force torque Estimation means, 22 combustion parameter calculation means, 23 non-combustion period setting means, 24 vibration continuation component extraction means, 25 component adjustment amount determination means

Claims (4)

クランクシャフトに連結された複数の気筒を備えた内燃機関の制御装置であって、
内燃機関におけるクランク角度と、前記クランク角度での時刻とを検出するクランク角度検出手段と、
前記クランク角度検出手段で検出した前記クランク角度と前記時刻を記憶するクランク角度時刻記憶手段と、
前記クランク角度時刻記憶手段から内燃機関の燃焼を含む期間に対応する前記クランク角度と前記時刻を得て、前記クランク角度に対する前記時刻の関数を周期関数と見なせる形に変換し、前記周期関数を周波数領域に変換する周波数領域変換手段と、
前記クランク角度時刻記憶手段から内燃機関が燃焼していない期間に対応する前記クランク角度と前記時刻を得て、この期間の前記クランク角度に対する前記時刻の関数を周期関数と見なせる形に変換してから前記周期関数を周波数領域に変換し、この周波数成分の大きさを基に、クランクシャフトの捩り振動に由来する成分を特定する捩り振動成分特定手段と、
前記周波数領域変換手段により周波数領域に変換された周期関数の周波数成分の中から、前記捩り振動成分特定手段により特定された周波数成分に対応する成分を選択して、この成分量を調整する周波数成分調整手段と、
前記周波数成分調整手段で調整された周波数成分に対して、周波数空間における代数的微分を利用し、前記クランク角度を引数とするクランクの角速度及び角加速度を算出する角速度及び角加速度算出手段と、
前記内燃機関のピストン、コンロッド及び前記クランクを含む系の運動方程式が、慣性モーメントと角加速度と外力トルクとの関係式と見なすことができる特異クランク角度において、前記運動方程式で算出されるトルクを外力トルクと推定する外力トルク推定手段と、
前記外力トルク推定手段で推定した前記外力トルクと角速度と角加速度を前記運動方程式に適用して、前記内燃機関の筒内圧力を推定する筒内圧力推定手段と、
前記筒内圧力を基に内燃機関の燃焼状態を示すパラメータを算出する燃焼パラメータ算出手段を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
A control device for an internal combustion engine having a plurality of cylinders coupled to a crankshaft,
Crank angle detecting means for detecting a crank angle in the internal combustion engine and a time at the crank angle;
Crank angle time storage means for storing the crank angle detected by the crank angle detection means and the time;
The crank angle and the time corresponding to a period including combustion of the internal combustion engine are obtained from the crank angle time storage means, the function of the time with respect to the crank angle is converted into a form that can be regarded as a periodic function, and the periodic function is converted into a frequency. A frequency domain conversion means for converting into a domain;
The crank angle and the time corresponding to a period in which the internal combustion engine is not combusting are obtained from the crank angle time storage means, and the function of the time with respect to the crank angle in this period is converted into a form that can be regarded as a periodic function. A torsional vibration component specifying means for converting the periodic function into a frequency domain and specifying a component derived from the torsional vibration of the crankshaft based on the magnitude of the frequency component;
A frequency component for selecting the component corresponding to the frequency component specified by the torsional vibration component specifying means from the frequency components of the periodic function converted into the frequency domain by the frequency domain converting means, and adjusting the amount of this component Adjusting means;
For the frequency component adjusted by the frequency component adjusting means, using an algebraic differentiation in frequency space, an angular velocity and angular acceleration calculating means for calculating the angular velocity and angular acceleration of the crank with the crank angle as an argument,
At a singular crank angle where the equation of motion of the system including the piston, connecting rod and the crank of the internal combustion engine can be regarded as a relational expression of moment of inertia, angular acceleration and external force torque, the torque calculated by the equation of motion is external force. External force torque estimating means for estimating torque;
In-cylinder pressure estimating means for estimating the in-cylinder pressure of the internal combustion engine by applying the external force torque, angular velocity and angular acceleration estimated by the external force torque estimating means to the equation of motion,
A control apparatus for an internal combustion engine, comprising combustion parameter calculation means for calculating a parameter indicating a combustion state of the internal combustion engine based on the in-cylinder pressure.
前記捩り振動成分特定手段は非燃焼期間設定手段を含み、前記非燃焼期間設定手段は、点火タイミングに応じて、前記捩り振動成分特定手段が前記クランク角度時刻記憶手段から読み出すクランク角度と検出時刻の範囲を設定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。   The torsional vibration component specifying means includes a non-combustion period setting means, and the non-combustion period setting means determines the crank angle and the detection time that the torsional vibration component specifying means reads from the crank angle time storage means according to the ignition timing. 2. The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein a range is set. 前記捩り振動成分特定手段は、内燃機関が燃焼していない期間において、この期間の中で開始と終了の組み合わせをずらして生成した複数のクランク角度期間に対する時刻の関数を、それぞれ周期関数と見なせる形に変換してからこれらの周期関数を周波数領域に変換するものであって、更に、振動継続成分抽出手段を含み、前記振動継続成分抽出手段は、周波数領域に変換された複数の前記周期関数のスペクトル特性に対して、値の大きさがあらかじめ定められた値を超え、かつ、それらの分散があらかじめ定められた値より小さいスペクトルを有する周波数成分を捩り振動の成分とみなすことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。   The torsional vibration component specifying means is configured such that, in a period when the internal combustion engine is not combusting, time functions for a plurality of crank angle periods generated by shifting the combination of start and end in this period can be regarded as periodic functions. And converting these periodic functions into the frequency domain, and further including vibration continuation component extraction means, wherein the vibration continuation component extraction means includes a plurality of the periodic functions converted into the frequency domain. A frequency component having a spectrum whose spectral magnitude exceeds a predetermined value and whose variance is smaller than a predetermined value is regarded as a torsional vibration component. Item 2. A control device for an internal combustion engine according to Item 1. 前記周波数成分調整手段は成分調整量決定手段を含み、前記成分調整量決定手段は、前記捩り振動成分特定手段で特定された周波数成分のスペクトルの大きさに応じて、前記周波数領域変換手段により周波数領域に変換された周期関数の周波数成分の調整量を決定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。   The frequency component adjustment unit includes a component adjustment amount determination unit, and the component adjustment amount determination unit determines the frequency by the frequency domain conversion unit according to the spectrum size of the frequency component specified by the torsional vibration component specification unit. 2. The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein an adjustment amount of a frequency component of the periodic function converted into the region is determined.
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