JP2022108784A - 内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】クランク角加速度に高周波の誤差成分が含まれる場合でも、燃焼状態に関連するパラメータの推定精度が低下することを抑制しつつ、演算負荷を低減できる内燃機関の制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照して上死点近傍の未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の未燃焼時の軸トルクと上死点近傍の燃焼時の実軸トルクとに基づいて外部負荷トルクを算出し、未燃焼時データを参照して未燃焼時の軸トルクを算出し、未燃焼時の軸トルクと、燃焼時の実軸トルクと、外部負荷トルクとに基づいて、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出する内燃機関の制御装置。【選択図】図3
Description
本願は、内燃機関の制御装置及び制御方法に関するものである。
内燃機関の燃費性能、エミッション性能を向上させるために、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。筒内圧の計測方法では筒内圧センサ信号から直接測定する方法の他に、クランク角度信号などの内燃機関における各機構の情報からガス圧トルクを推定する方法がある。
従来の技術としては、例えば特許文献1に記載されているように、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。特許文献1に開示された燃焼状態推定装置では、特許文献1の式(15)に示されているように、クランク角速度及びイナーシャに基づいて算出された軸トルク(式(15)の右辺の分子の第1項)と、吸気管内の圧力等により推定された各未燃焼気筒の筒内圧等に基づいて算出された複数の未燃焼気筒によるガス圧トルク(式(15)の右辺の分子の第2項)と、クランク角加速度に基づいて算出された各気筒のピストンの往復運動による往復慣性トルク(式(15)の右辺の分子の第3項)と、内燃機関の外部からクランク軸にかかる外部負荷トルク(式(15)の右辺の分子の第4項)と、を用いて、燃焼気筒の筒内圧(式(15)の左辺)が推定されている。
しかし、クランク角度には、信号板の歯の製造誤差、経年変化などにより、検出誤差が含まれ、クランク角度に基づいて算出されるクランク角加速度には、高周波の誤差成分が含まれる。特許文献1の技術では、クランク角加速度に基づいて、軸トルク及び往復慣性トルクの2つのパラメータが算出されるため、クランク角加速度に高周波の誤差成分が重畳している場合に、燃焼気筒の筒内圧の推定精度が低下し易く、燃焼状態の推定精度が低下し易い問題があった。また、特許文献1の式(15)では表現できていないクランク軸のバランスウェイトの影響、及び重心のズレ等のモデル化誤差により、燃焼状態の推定精度が低下する問題があった。
また、特許文献1の技術では、複数の未燃焼気筒の筒内圧を個別に算出する必要があり、複数の気筒のピストンの往復慣性トルクを個別に算出する必要があり、演算負荷が増大すると共に、ピストンの質量等の定数の設定が必要であった。
そこで、本願は、クランク角加速度に高周波の誤差成分が含まれ、クランク機構のモデル化が容易でない場合でも、燃焼状態に関連するパラメータの推定精度が低下することを抑制しつつ、演算負荷を低減できる内燃機関の制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
本願に係る内燃機関の制御装置は、
クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度及びクランク角加速度を検出する角度情報検出部と、
前記クランク角加速度、及びクランク軸系の慣性モーメントに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクを算出する実軸トルク演算部と、
内燃機関の燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の前記未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度において前記実軸トルク演算部により演算された燃焼時の前記実軸トルクとに基づいて、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである外部負荷トルクを算出し、
前記未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記演算対象のクランク角度に対応する燃焼時の前記実軸トルクと、算出した前記外部負荷トルクとに基づいて、前記演算対象のクランク角度において、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出するガス圧トルク演算部と、
を備えたものである。
クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度及びクランク角加速度を検出する角度情報検出部と、
前記クランク角加速度、及びクランク軸系の慣性モーメントに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクを算出する実軸トルク演算部と、
内燃機関の燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の前記未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度において前記実軸トルク演算部により演算された燃焼時の前記実軸トルクとに基づいて、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである外部負荷トルクを算出し、
前記未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記演算対象のクランク角度に対応する燃焼時の前記実軸トルクと、算出した前記外部負荷トルクとに基づいて、前記演算対象のクランク角度において、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出するガス圧トルク演算部と、
を備えたものである。
本願に係る内燃機関の制御方法は、
クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度及びクランク角加速度を検出する角度情報検出ステップと、
前記クランク角加速度、及びクランク軸系の慣性モーメントに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクを算出する実軸トルク演算ステップと、
内燃機関の燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の前記未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度において前記実軸トルク演算ステップにおいて演算された燃焼時の前記実軸トルクとに基づいて、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである外部負荷トルクを算出し、
前記未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記演算対象のクランク角度に対応する燃焼時の前記実軸トルクと、算出した前記外部負荷トルクとに基づいて、前記演算対象のクランク角度において、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出するガス圧トルク演算ステップと、
を備えたものである。
クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度及びクランク角加速度を検出する角度情報検出ステップと、
前記クランク角加速度、及びクランク軸系の慣性モーメントに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクを算出する実軸トルク演算ステップと、
内燃機関の燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の前記未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度において前記実軸トルク演算ステップにおいて演算された燃焼時の前記実軸トルクとに基づいて、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである外部負荷トルクを算出し、
前記未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記演算対象のクランク角度に対応する燃焼時の前記実軸トルクと、算出した前記外部負荷トルクとに基づいて、前記演算対象のクランク角度において、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出するガス圧トルク演算ステップと、
を備えたものである。
本願に係る内燃機関の制御装置及び制御方法によれば、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、未燃焼時の軸トルクが算出される。未燃焼時の軸トルクには、未燃焼状態である場合の全気筒の筒内圧によるガス圧トルクと全気筒のピストンの往復慣性トルクとが含まれる。そのため、特許文献1の式(15)のように、クランク軸回りの運動方程式を用いて、クランク角加速度により往復慣性トルクを算出する必要がなく、クランク角加速度に高周波の誤差成分が重畳しても、燃焼状態に関連するパラメータの推定精度が低下することを抑制できる。また、特許文献1の式(15)のように、クランク軸回りの運動方程式を用いていないので、モデル化誤差により燃焼状態に関連するパラメータの推定精度が低下することを抑制できる。また、特許文献1のように、複数の未燃焼気筒の筒内圧を個別に算出する必要がなく、複数の気筒のピストンの往復慣性トルクを個別に算出する必要がないため、演算負荷の増大を抑制できる。
また、燃焼行程の上死点近傍では燃焼気筒のガス圧トルクがほぼ0になるため、未燃焼時データを参照して算出した上死点近傍の未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍の燃焼時の実軸トルクとに基づいて、少ない演算負荷で、外部負荷トルクを算出することができる。そして、未燃焼時データを参照して算出した未燃焼時の軸トルクと、燃焼時の実軸トルクと、外部負荷トルクとに基づいて、少ない演算負荷で、燃焼状態に関連するパラメータとして、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出することができる。従って、クランク角加速度に高周波の誤差成分が含まれ、クランク機構のモデル化が容易でない場合でも、燃焼状態に関連するパラメータの推定精度が低下することを抑制しつつ、演算負荷を低減できる。
1.実施の形態1
実施の形態1に係る内燃機関の制御装置50(以下、単に制御装置50と称す)について図面を参照して説明する。図1および図2は、本実施の形態に係る内燃機関1および制御装置50の概略構成図であり、図3は、本実施の形態に係る制御装置50のブロック図である。内燃機関1および制御装置50は、車両に搭載され、内燃機関1は、車両(車輪)の駆動力源となる。
実施の形態1に係る内燃機関の制御装置50(以下、単に制御装置50と称す)について図面を参照して説明する。図1および図2は、本実施の形態に係る内燃機関1および制御装置50の概略構成図であり、図3は、本実施の形態に係る制御装置50のブロック図である。内燃機関1および制御装置50は、車両に搭載され、内燃機関1は、車両(車輪)の駆動力源となる。
1-1.内燃機関1の構成
まず、内燃機関1の構成について説明する。図1に示すように、内燃機関1は、空気と燃料の混合気を燃焼する気筒7を備えている。内燃機関1は、気筒7に空気を供給する吸気路23と、気筒7で燃焼した排気ガスを排出する排気路17とを備えている。内燃機関1は、ガソリンエンジンとされている。内燃機関1は、吸気路23を開閉するスロットルバルブ4を備えている。スロットルバルブ4は、制御装置50により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式スロットルバルブとされている。スロットルバルブ4には、スロットルバルブ4の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ19が設けられている。
まず、内燃機関1の構成について説明する。図1に示すように、内燃機関1は、空気と燃料の混合気を燃焼する気筒7を備えている。内燃機関1は、気筒7に空気を供給する吸気路23と、気筒7で燃焼した排気ガスを排出する排気路17とを備えている。内燃機関1は、ガソリンエンジンとされている。内燃機関1は、吸気路23を開閉するスロットルバルブ4を備えている。スロットルバルブ4は、制御装置50により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式スロットルバルブとされている。スロットルバルブ4には、スロットルバルブ4の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ19が設けられている。
スロットルバルブ4の上流側の吸気路23には、吸気路23に吸入される吸入空気量に応じた電気信号を出力するエアフローセンサ3が設けられている。内燃機関1は、排気ガス還流装置20を備えている。排気ガス還流装置20は、排気路17から吸気マニホールド12に排気ガスを還流するEGR流路21と、EGR流路21を開閉するEGRバルブ22と、を有している。吸気マニホールド12は、スロットルバルブ4の下流側の吸気路23の部分である。EGRバルブ22は、制御装置50により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式EGRバルブとされている。排気路17には、排気路17内の排気ガスの空燃比に応じた電気信号を出力する空燃比センサ18を備えている。
吸気マニホールド12には、吸気マニホールド12内の圧力に応じた電気信号を出力するマニホールド圧センサ8が設けられている。吸気マニホールド12の下流側の部分には、燃料を噴射するインジェクタ13が設けられている。なお、インジェクタ13は、気筒7内に直接燃料を噴射するように設けられてもよい。内燃機関1には、大気圧に応じた電気信号を出力する大気圧センサ33が設けられている。
気筒7の頂部には、空気と燃料の混合気に点火する点火プラグと、点火プラグに点火エネルギーを供給する点火コイル16と、が設けられている。また、気筒7の頂部には、吸気路23から気筒7内に吸入される吸入空気量を調節する吸気バルブ14と、シリンダ内から排気路17に排出される排気ガス量を調節する排気バルブ15と、が設けられている。吸気バルブ14には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする吸気可変バルブタイミング機構が設けられている。排気バルブ15には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする排気可変バルブタイミング機構が設けられている。可変バルブタイミング機構14、15は、電動アクチュエータを有している。
図2に示すように、内燃機関1は、複数の気筒7(本例では3つ)を備えている。各気筒7内には、ピストン5が備えられている。各気筒7のピストン5は、コンロッド9およびクランク32を介してクランク軸2に接続されている。クランク軸2は、ピストン5の往復運動によって回転駆動される。各気筒7で発生した燃焼ガス圧は、ピストン5の頂面を押圧し、コンロッド9およびクランク32を介してクランク軸2を回転駆動する。クランク軸2は、車輪に駆動力を伝達する動力伝達機構に連結されている。動力伝達機構は、変速装置、ディファレンシャルギヤ等から構成される。なお、内燃機関1を備えた車両は、動力伝達機構内にモータージェネレータを備えたハイブリッド車であってもよい。
内燃機関1は、クランク軸2と一体回転する信号板10を備えている。信号板10は、予め定められた複数のクランク角度に複数の歯を設けている。本実施の形態では、信号板10は、10度間隔で歯が並べられている。信号板10の歯には、一部の歯が欠けた欠け歯部分が設けられている。内燃機関1は、エンジンブロック24に固定され、信号板10の歯を検出する第1クランク角センサ11を備えている。
内燃機関1は、クランク軸2とチェーン28で連結されたカム軸29を備えている。カム軸29は、吸気バルブ14および排気バルブ15を開閉駆動する。クランク軸2が2回転する間に、カム軸29は1回転する。内燃機関1は、カム軸29と一体回転するカム用の信号板31を備えている。カム用の信号板31は、予め定められた複数のカム軸角度に複数の歯を設けている。内燃機関1は、エンジンブロック24に固定され、カム用の信号板31の歯を検出するカム角センサ30を備えている。
制御装置50は、第1クランク角センサ11およびカム角センサ30の2種類の出力信号に基づいて、各ピストン5の上死点を基準としたクランク角度を検出すると共に、各気筒7の行程を判別する。なお、内燃機関1は、吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、および排気行程の4行程機関とされている。
内燃機関1は、クランク軸2と一体回転するフライホイール27を備えている。フライホイール27の外周部は、リングギア25とされており、リングギア25は、予め定められた複数のクランク角度に複数の歯を設けている。リングギア25の歯は、周方向に等角度間隔で設けられている。本例では4度間隔で、90個の歯が設けられている。リングギア25の歯には欠け歯部分は設けられていない。内燃機関1は、エンジンブロック24に固定され、リングギア25の歯を検出する第2クランク角センサ6を備えている。第2クランク角センサ6は、リングギア25の径方向外側に、リングギア25と間隔を空けて対向配置されている。フライホイール27のクランク軸2とは反対側は、動力伝達機構に連結されている。よって、内燃機関1の出力トルクは、フライホイール27の部分を通って、車輪側に伝達される。
第1クランク角センサ11、カム角センサ30、および第2クランク角センサ6は、クランク軸2の回転による、各センサと歯の距離の変化に応じた電気信号を出力する。各角センサ11、30、6の出力信号は、センサと歯の距離が近い場合と、遠い場合とで信号がオンオフする矩形波となる。各角センサ11、30、6には、例えば、電磁ピックアップ式のセンサが用いられる。
フライホイール27(リングギア25)は、信号板10の歯数よりも多い歯数を有しており、また、欠け歯部分もないため、高分解能の角度検出を期待できる。また、フライホイール27は、信号板10の質量よりも大きい質量を有しており、高周波振動が抑制されるため、高精度の角度検出を期待できる。
1-2.制御装置50の構成
次に、制御装置50について説明する。
制御装置50は、内燃機関1を制御対象とする制御装置である。図3に示すように、制御装置50は、角度情報検出部51、実軸トルク演算部52、ガス圧トルク演算部53、燃焼状態推定部54、燃焼制御部55、及び未燃焼時軸トルク学習部56等の制御部を備えている。制御装置50の各制御部51から56等は、制御装置50が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置50は、図4に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90にバス等の信号線を介して接続された記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、および演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
次に、制御装置50について説明する。
制御装置50は、内燃機関1を制御対象とする制御装置である。図3に示すように、制御装置50は、角度情報検出部51、実軸トルク演算部52、ガス圧トルク演算部53、燃焼状態推定部54、燃焼制御部55、及び未燃焼時軸トルク学習部56等の制御部を備えている。制御装置50の各制御部51から56等は、制御装置50が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置50は、図4に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90にバス等の信号線を介して接続された記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、および演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
演算処理装置90として、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、IC(Integrated Circuit)、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、各種の論理回路、および各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置90として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。
記憶装置91として、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)等の揮発性及び不揮発性の記憶装置が備えられている。入力回路92は、各種のセンサ及びスイッチが接続され、これらセンサ及びスイッチの出力信号を演算処理装置90に入力するA/D変換器等を備えている。出力回路93は、電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置90から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。
そして、制御装置50が備える各制御部51から56等の各機能は、演算処理装置90が、ROM、EEPROM等の記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行し、記憶装置91、入力回路92、および出力回路93等の制御装置50の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部51から56等が用いる未燃焼時データ、慣性モーメントIcrk、フィルタ係数bj等の設定データは、ソフトウェア(プログラム)の一部として、ROM、EEPROM等の記憶装置91に記憶されている。また、各制御部51から56等が算出したクランク角度θd、クランク角速度ωd、クランク角加速度αd、実軸トルクTcrkd、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brn、燃焼時の筒内圧Pcyl_brn等の各演算値および各検出値のデータは、RAM等の記憶装置91に記憶される。
本実施の形態では、入力回路92には、第1クランク角センサ11、カム角センサ30、第2クランク角センサ6、エアフローセンサ3、スロットル開度センサ19、マニホールド圧センサ8、大気圧センサ33、空燃比センサ18、およびアクセルポジションセンサ26等が接続されている。出力回路93には、スロットルバルブ4(電気モータ)、EGRバルブ22(電気モータ)、インジェクタ13、点火コイル16、吸気可変バルブタイミング機構14、及び排気可変バルブタイミング機構15等が接続されている。なお、制御装置50には、図示していない各種のセンサ、スイッチ、およびアクチュエータ等が接続されている。制御装置50は、各種センサの出力信号に基づいて、吸入空気量、吸気マニホールド内の圧力、大気圧、空燃比、およびアクセル開度等の内燃機関1の運転状態を検出する。
制御装置50は、基本的な制御として、入力された各種センサの出力信号等に基づいて、燃料噴射量、点火時期等を算出し、インジェクタ13および点火コイル16等を駆動制御する。制御装置50は、アクセルポジションセンサ26の出力信号等に基づいて、運転者が要求している内燃機関1の出力トルクを算出し、当該要求出力トルクを実現する吸入空気量となるように、スロットルバルブ4等を制御する。具体的には、制御装置50は、目標スロットル開度を算出し、スロットル開度センサ19の出力信号に基づき検出したスロットル開度が、目標スロットル開度に近づくように、スロットルバルブ4の電気モータを駆動制御する。また、制御装置50は、入力された各種センサの出力信号等に基づいて、EGRバルブ22の目標開度を算出し、EGRバルブ22の電気モータを駆動制御する。制御装置50は、入力された各種センサの出力信号等に基づいて、吸気バルブの目標開閉タイミング及び排気バルブの目標開閉タイミングを算出し、各目標開閉タイミングに基づいて、吸気及び排気可変バルブタイミング機構14、15を駆動制御する。
1-2-1.角度情報検出部51
角度情報検出部51は、第2クランク角センサ6の出力信号に基づいて、クランク角度θd、クランク角度θdの時間変化率であるクランク角速度ωd、及びクランク角速度ωdの時間変化率であるクランク角加速度αdを検出する。
角度情報検出部51は、第2クランク角センサ6の出力信号に基づいて、クランク角度θd、クランク角度θdの時間変化率であるクランク角速度ωd、及びクランク角速度ωdの時間変化率であるクランク角加速度αdを検出する。
本実施の形態では、図5に示すように、角度情報検出部51は、第2クランク角センサ6の出力信号に基づいてクランク角度θdを検出すると共にクランク角度θdを検出した検出時刻Tdを検出する。そして、角度情報検出部51は、検出したクランク角度θdである検出角度θdおよび検出時刻Tdに基づいて、検出角度θdの間の角度区間Sdに対応する角度間隔Δθdおよび時間間隔ΔTdを算出する。
本実施の形態では、角度情報検出部51は、第2クランク角センサ6の出力信号(矩形波)の立下りエッジ(又は立上りエッジ)を検出した時のクランク角度θdを判定するように構成されている。角度情報検出部51は、基点角度(例えば、第1気筒♯1のピストン5の上死点である0度)に対応する立下りエッジである基点立下りエッジを判定し、基点立下りエッジを基点にカウントアップした立下りエッジの番号n(以下、角度識別番号nと称す)に対応するクランク角度θdを判定する。例えば、角度情報検出部51は、基点立下りエッジを検出した時に、クランク角度θdを基点角度(例えば、0度)に設定すると共に角度識別番号nを0に設定する。そして、角度情報検出部51は、立下りエッジを検出する毎に、クランク角度θdを、予め設定された角度間隔Δθd(本例では4度)ずつ増加させると共に角度識別番号nを1つずつ増加させる。或いは、角度情報検出部51は、角度識別番号nとクランク角度θdとの関係が予め設定された角度テーブルを用い、今回の角度識別番号nに対応するクランク角度θdを読み出すように構成されてもよい。角度情報検出部51は、クランク角度θd(検出角度θd)を角度識別番号nに対応付ける。角度識別番号nは、最大番号(本例では90)の後、1に戻る。角度識別番号n=1の前回の角度識別番号nは90になり、角度識別番号n=90の次回の角度識別番号nは1になる。
本実施の形態では、角度情報検出部51は、後述する第1クランク角センサ11およびカム角センサ30に基づいて検出した参照クランク角度を参照して、第2クランク角センサ6の基点立下りエッジを判定する。例えば、角度情報検出部51は、第2クランク角センサ6の立下りエッジを検出した時の参照クランク角度が、基点角度に最も近い立下りエッジを、基点立下りエッジと判定する。
また、角度情報検出部51は、第1クランク角センサ11およびカム角センサ30に基づいて判別した各気筒7の行程を参照して、クランク角度θdに対応する各気筒7の行程を判定する。
角度情報検出部51は、第2クランク角センサ6の出力信号(矩形波)の立下りエッジを検出した時の検出時刻Tdを検出し、検出時刻Tdを角度識別番号nに対応付ける。具体的には、角度情報検出部51は、演算処理装置90が備えたタイマー機能を用いて、検出時刻Tdを検出する。
角度情報検出部51は、図5に示すように、立下りエッジを検出した時に、今回の角度識別番号(n)に対応する検出角度θd(n)と、前回の角度識別番号(n-1)に対応する検出角度θd(n-1)との間の角度区間を、今回の角度識別番号(n)に対応する角度区間Sd(n)に設定する。
また、角度情報検出部51は、式(1)に示すように、立下りエッジを検出した時に、今回の角度識別番号(n)に対応する検出角度θd(n)と、前回の角度識別番号(n-1)に対応する検出角度θd(n-1)との偏差を算出して、今回の角度識別番号(n)(今回の角度区間Sd(n))に対応する角度間隔Δθd(n)に設定する。
本実施の形態では、リングギア25の歯の角度間隔は、全て等しくされているので、角度情報検出部51は、全ての角度識別番号nの角度間隔Δθdを、予め設定された角度(本例では4度)に設定する。
また、角度情報検出部51は、式(2)に示すように、立下りエッジを検出した時に、今回の角度識別番号(n)に対応する検出時刻Td(n)と、前回の角度識別番号(n-1)に対応する検出時刻Td(n-1)との偏差を算出して、今回の角度識別番号(n)(今回の角度区間Sd(n))に対応する時間間隔ΔTd(n)に設定する。
角度情報検出部51は、第1クランク角センサ11およびカム角センサ30の2種類の出力信号に基づいて、第1気筒♯1のピストン5の上死点を基準とした参照クランク角度を検出すると共に、各気筒7の行程を判別する。例えば、角度情報検出部51は、第1クランク角センサ11の出力信号(矩形波)の立下りエッジの時間間隔から、信号板10の欠け歯部分の直後の立下りエッジを判定する。そして、角度情報検出部51は、欠け歯部分の直後の立下りエッジを基準にした各立下りエッジと、上死点を基準にした参照クランク角度と対応関係を判定し、各立下りエッジを検出した時の、上死点を基準とした参照クランク角度を算出する。また、角度情報検出部51は、第1クランク角センサ11の出力信号(矩形波)における欠け歯部分の位置と、カム角センサ30の出力信号(矩形波)との関係から、各気筒7の行程を判別する。
<フィルタ処理>
角度情報検出部51は、クランク角加速度αdを算出する際に、高周波の誤差成分を除去するフィルタ処理を行う。角度情報検出部51は、時間間隔ΔTdに対してフィルタ処理を行う。時間間隔ΔTdは、単位角度(本例では、4度)の周期であるクランク角周期ΔTdである。フィルタ処理には、例えば、有限インパルス応答(FIR:Finite Impulse Response)フィルタが用いられる。図6に、フィルタ前後の時間間隔(クランク角周期)の周波数スペクトルを示すように、フィルタ処理により、歯の製造ばらつき等により生じた高周波数の成分が低減される。また、後述するように、クランク角加速度αdに基づいて算出される燃焼時の実軸トルクTcrkd_brnから、未燃焼時の軸トルクTcrk_motを減算することによっても、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの高周波数成分を除去できない場合でも、フィルタ処理によりクランク角加速度αdの高周波成分を低減することにより、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの高周波数成分を低減できる。
角度情報検出部51は、クランク角加速度αdを算出する際に、高周波の誤差成分を除去するフィルタ処理を行う。角度情報検出部51は、時間間隔ΔTdに対してフィルタ処理を行う。時間間隔ΔTdは、単位角度(本例では、4度)の周期であるクランク角周期ΔTdである。フィルタ処理には、例えば、有限インパルス応答(FIR:Finite Impulse Response)フィルタが用いられる。図6に、フィルタ前後の時間間隔(クランク角周期)の周波数スペクトルを示すように、フィルタ処理により、歯の製造ばらつき等により生じた高周波数の成分が低減される。また、後述するように、クランク角加速度αdに基づいて算出される燃焼時の実軸トルクTcrkd_brnから、未燃焼時の軸トルクTcrk_motを減算することによっても、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの高周波数成分を除去できない場合でも、フィルタ処理によりクランク角加速度αdの高周波成分を低減することにより、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの高周波数成分を低減できる。
角度情報検出部51は、未燃焼状態と燃焼状態との間で、同じフィルタ特性のフィルタ処理を行う。本例では、未燃焼状態と燃焼状態との間で、フィルタ次数N及び各フィルタ係数が同じ値に設定されている。この構成によれば、後述する未燃焼時の実軸トルクにより未燃焼時データが更新された場合に、未燃焼時の実軸トルクの高周波の誤差成分の除去状態と、燃焼時の実軸トルクの高周波の誤差成分の除去状態とを合わせることができる。よって、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出する際に、燃焼時の実軸トルクTcrkdから未燃焼時の軸トルクTcrk_motを減算することにより、除去しきれていない高周波の誤差成分を相殺させることができ、高周波の誤差成分により、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの算出精度が低下することを抑制できる。
なお、時間間隔ΔTdに代えて、後述するクランク角速度ωd(n)に対して、高周波の誤差成分を除去するフィルタ処理が行われてもよい。或いは、クランク角加速度αdを算出する際に、フィルタ処理が行われなくてもよい。
なお、角度情報検出部51は、フィルタ処理に代えて、又はフィルタ処理と共に、各角度識別番号nに対応して設定された補正係数Kc(n)により、各角度識別番号nの時間間隔ΔTd(n)を補正するように構成されてもよい。補正係数Kc(n)は、特許第6169214号に開示されている方法等により、時間間隔ΔTd(n)に基づいて学習されたり、製造時に適合により予め設定されたりする。
<クランク角速度ωd、クランク角加速度αdの算出>
角度情報検出部51は、角度間隔Δθdおよびフィルタ後の時間間隔ΔTdfに基づいて、検出角度θd又は角度区間Sdのそれぞれに対応する、クランク角度θdの時間変化率であるクランク角速度ωd、およびクランク角速度ωdの時間変化率であるクランク角加速度αdを算出する。
角度情報検出部51は、角度間隔Δθdおよびフィルタ後の時間間隔ΔTdfに基づいて、検出角度θd又は角度区間Sdのそれぞれに対応する、クランク角度θdの時間変化率であるクランク角速度ωd、およびクランク角速度ωdの時間変化率であるクランク角加速度αdを算出する。
本実施の形態では、図7に示すように、角度情報検出部51は、処理対象とする角度区間Sd(n)に対応する角度間隔Δθd(n)及び時間間隔ΔTdf(n)に基づいて、処理対象の角度区間Sd(n)に対応するクランク角速度ωd(n)を算出する。具体的には、角度情報検出部51は、式(4)に示すように、処理対象の角度区間Sd(n)に対応する補正後の角度間隔Δθdc(n)をフィルタ後の時間間隔ΔTdf(n)で除算して、クランク角速度ωd(n)を算出する。
角度情報検出部51は、処理対象とする検出角度θd(n)の直前1つの角度区間Sd(n)に対応するクランク角速度ωd(n)およびフィルタ後の時間間隔ΔTdf(n)、並びに処理対象の検出角度θd(n)の直後1つの角度区間Sd(n+1)に対応するクランク角速度ωd(n+1)およびフィルタ後の時間間隔ΔTdf(n+1)に基づいて、処理対象の検出角度θd(n)に対応するクランク角加速度αd(n)を算出する。具体的には、角度情報検出部51は、式(5)に示すように、直後のクランク角速度ωd(n+1)から直前のクランク角速度ωd(n)を減算した減算値を、直後のフィルタ後の時間間隔ΔTdf(n+1)と直前のフィルタ後の時間間隔ΔTdf(n)の平均値で除算して、クランク角加速度αd(n)を算出する。
角度情報検出部51は、角度識別番号n、クランク角度θd(n)、フィルタ前後の時間間隔ΔTd(n)、ΔTdf(n)、クランク角速度ωd(n)、クランク角加速度αd(n)等の角度情報を、少なくとも燃焼行程以上の期間分、RAM等の記憶装置91に記憶する。
1-2-2.実軸トルク演算部52
実軸トルク演算部52は、クランク角加速度αd、及びクランク軸系の慣性モーメントIcrkに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクTcrkdを算出する。
実軸トルク演算部52は、クランク角加速度αd、及びクランク軸系の慣性モーメントIcrkに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクTcrkdを算出する。
本実施の形態では、実軸トルク演算部52は、次式に示すように、各クランク角度θd(n)において、クランク角加速度αd(n)に、クランク軸系の慣性モーメントIcrkを乗算して、実軸トルクTcrkd(n)を算出する。
クランク軸系の慣性モーメントIcrkは、クランク軸2と一体回転する部材全体(例えば、クランク軸2、クランク32、及びフライホイール27等)の慣性モーメントであり、予め設定されている。
実軸トルク演算部52は、対応する角度識別番号n及びクランク角度θd(n)等の角度情報と共に、算出した実軸トルクTcrkd(n)を、少なくとも燃焼行程以上の期間分、RAM等の記憶装置91に記憶する。
1-2-3.ガス圧トルク演算部53
1-2-3-1.燃焼時の外部負荷トルクの演算
<外部負荷トルクの算出原理>
図8に示すように、燃焼時の筒内圧は、未燃焼時の筒内圧よりも、燃焼による圧力上昇分だけ上昇する。次式に示すように、燃焼時の軸トルクTcrk_brnは、この燃焼の圧力上昇による軸トルクの増加分ΔTgas_brnだけ、未燃焼時の軸トルクTcrk_motから増加する。この軸トルクの増加分ΔTgas_brnは、未燃焼時の筒内圧(ガス圧)から燃焼時の筒内圧(ガス圧)まで上昇したガス圧上昇により生じた、ガス圧トルクの増加分であるため、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnと称す。未燃焼時の軸トルクTcrk_motには、未燃焼時の各気筒内のガス圧がピストンを押す力によりクランク軸にかかるトルクであるガス圧トルク、及び各気筒のピストンの往復慣性によりクランク軸にかかるトルクである往復慣性トルクが含まれる。また、後述するように、未燃焼時の軸トルクTcrk_motには、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnが含まれていないため、次式に示すように、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを減算する必要がある。外部負荷トルクTloadは、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである。外部負荷トルクTloadには、車輪に連結される動力伝達機構から内燃機関に伝達される車両の走行抵抗及び摩擦抵抗、並びにクランク軸に連結されるオルタネータ等の補機負荷等が含まれる。
1-2-3-1.燃焼時の外部負荷トルクの演算
<外部負荷トルクの算出原理>
図8に示すように、燃焼時の筒内圧は、未燃焼時の筒内圧よりも、燃焼による圧力上昇分だけ上昇する。次式に示すように、燃焼時の軸トルクTcrk_brnは、この燃焼の圧力上昇による軸トルクの増加分ΔTgas_brnだけ、未燃焼時の軸トルクTcrk_motから増加する。この軸トルクの増加分ΔTgas_brnは、未燃焼時の筒内圧(ガス圧)から燃焼時の筒内圧(ガス圧)まで上昇したガス圧上昇により生じた、ガス圧トルクの増加分であるため、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnと称す。未燃焼時の軸トルクTcrk_motには、未燃焼時の各気筒内のガス圧がピストンを押す力によりクランク軸にかかるトルクであるガス圧トルク、及び各気筒のピストンの往復慣性によりクランク軸にかかるトルクである往復慣性トルクが含まれる。また、後述するように、未燃焼時の軸トルクTcrk_motには、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnが含まれていないため、次式に示すように、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを減算する必要がある。外部負荷トルクTloadは、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである。外部負荷トルクTloadには、車輪に連結される動力伝達機構から内燃機関に伝達される車両の走行抵抗及び摩擦抵抗、並びにクランク軸に連結されるオルタネータ等の補機負荷等が含まれる。
上死点近傍では、コンロッド及びクランクが一直線になり、筒内圧がピストンを押す力により、軸トルクTcrkが生じない。よって、圧縮行程の上死点近傍では、燃焼による軸トルクの増加分ΔTgas_brnが0になる。よって、式(7)を変形した次式に示すように、上死点近傍の未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcから、今回の燃焼時の上死点近傍の実軸トルクTcrkd_brn_tdcを減算することで、今回の燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを算出できる。
外部負荷トルクTloadは、行程周期では大きく変動しないため、上死点近傍で算出した外部負荷トルクTloadを、燃焼行程の各クランク角度θdで用いることができる。
なお、本願において、燃焼状態及び燃焼時は、制御装置50が、燃焼行程で燃料を燃焼させるように制御している状態及び時であり、未燃焼状態及び未燃焼時は、制御装置50が、燃焼行程で燃料を燃焼させないように制御している状態及び時である。
<未燃焼時の軸トルクの算出>
ガス圧トルク演算部53は、内燃機関の燃焼状態において、クランク角度θdと未燃焼時の軸トルクTcrk_motとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、上死点近傍のクランク角度θd_tdcに対応する未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcを算出する。
ガス圧トルク演算部53は、内燃機関の燃焼状態において、クランク角度θdと未燃焼時の軸トルクTcrk_motとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、上死点近傍のクランク角度θd_tdcに対応する未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcを算出する。
上死点近傍のクランク角度θd_tdcは、圧縮行程の上死点近傍のクランク角度に予め設定されている。ここで、上死点近傍は、例えば、上死点前10度から上死点後10度までの角度区間内である。例えば、上死点近傍のクランク角度θd_tdcは、上死点のクランク角度に予め設定されている。未燃焼時データについては後述する。
後述するように、未燃焼時データは、少なくとも筒内圧及びピストンの往復慣性トルクに影響する運転状態ごとに設定されている。ガス圧トルク演算部53は、現在の運転状態に対応する未燃焼時データを参照し、上死点近傍のクランク角度θd_tdcに対応する未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcを算出する。
<外部負荷トルクの算出>
そして、ガス圧トルク演算部53は、算出した上死点近傍の未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcと、上死点近傍のクランク角度θd_tdcにおいて実軸トルク演算部52により演算された燃焼時の実軸トルクTcrkd(以下、上死点近傍の燃焼時の実軸トルクTcrkd_brn_tdcと称す)とに基づいて、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを算出する。
そして、ガス圧トルク演算部53は、算出した上死点近傍の未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcと、上死点近傍のクランク角度θd_tdcにおいて実軸トルク演算部52により演算された燃焼時の実軸トルクTcrkd(以下、上死点近傍の燃焼時の実軸トルクTcrkd_brn_tdcと称す)とに基づいて、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを算出する。
本実施の形態では、式(8)を用いて説明したように、ガス圧トルク演算部53は、次式に示すように、上死点近傍の未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcから、上死点近傍の燃焼時の実軸トルクTcrkd_brn_tdcを減算して、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを算出する。
1-2-3-2.燃焼によるガス圧トルクの増加分の演算
式(7)を変形した次式に示すように、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnは、燃焼時の軸トルクTcrk_brnから、未燃焼時の軸トルクTcrk_motを減算し、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを加算することにより算出できる。
式(7)を変形した次式に示すように、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnは、燃焼時の軸トルクTcrk_brnから、未燃焼時の軸トルクTcrk_motを減算し、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを加算することにより算出できる。
そこで、ガス圧トルク演算部53は、内燃機関の燃焼状態において、クランク角度θdと未燃焼時の軸トルクTcrk_motとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度θd_objに対応する未燃焼時の軸トルクTcrk_motを算出する。
そして、ガス圧トルク演算部53は、算出した演算対象のクランク角度θd_objの未燃焼時の軸トルクTcrk_motと、演算対象のクランク角度θd_objに対応する燃焼時の実軸トルクTcrkd_brnと、算出した燃焼時の外部負荷トルクTload_brnとに基づいて、演算対象のクランク角度θd_objにおいて、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出する。
本実施の形態では、式(10)を用いて説明したように、ガス圧トルク演算部53は、次式に示すように、燃焼時の実軸トルクTcrkd_brnから、未燃焼時の軸トルクTcrk_motを減算し、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを加算して、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出する。
以上の構成によれば、クランク角度θdと未燃焼時の軸トルクTcrk_motとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、未燃焼時の軸トルクTcrk_motが算出される。未燃焼時の軸トルクTcrk_motには、未燃焼状態である場合の全気筒の筒内圧によるガス圧トルクと全気筒のピストンの往復慣性トルクとが含まれる。そのため、特許文献1の式(15)のように、クランク軸回りの運動方程式を用いて、クランク角加速度により往復慣性トルクを算出する必要がなく、クランク角加速度に高周波の誤差成分が重畳しても、燃焼状態に関連するパラメータの推定精度が低下することを抑制できる。また、特許文献1の式(15)のように、クランク軸回りの運動方程式を用いていないので、モデル化誤差により燃焼状態に関連するパラメータの推定精度が低下することを抑制できる。また、特許文献1のように、複数の未燃焼気筒の筒内圧を個別に算出する必要がなく、複数の気筒のピストンの往復慣性トルクを個別に算出する必要がないため、演算負荷の増大を抑制できる。
また、燃焼行程の上死点近傍では燃焼気筒のガス圧トルクがほぼ0になるため、未燃焼時データを参照して算出した上死点近傍の未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcと、上死点近傍の燃焼時の実軸トルクTcrkd_brn_tdcとに基づいて、少ない演算負荷で、外部負荷トルクTload_brnを算出することができる。そして、未燃焼時データを参照して算出した未燃焼時の軸トルクTcrk_motと、燃焼時の実軸トルクTcrkd_brnと、外部負荷トルクTload_brnとに基づいて、少ない演算負荷で、燃焼状態に関連するパラメータとして、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出することができる。従って、クランク角加速度αdに高周波の誤差成分が含まれ、クランク機構のモデル化が容易でない場合でも、燃焼状態に関連するパラメータの推定精度が低下することを抑制しつつ、演算負荷を低減できる。
実験データによる設定、又は後述する実軸トルクTcrkdによる更新により、未燃焼時データの各クランク角度θdの未燃焼時の軸トルクTcrk_motに、信号板の歯の製造誤差などによって生じたクランク角加速度の高周波の誤差成分が含まれる場合は、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出する際に、燃焼時の実軸トルクTcrkdから、未燃焼時データを参照した未燃焼時の軸トルクTcrk_motを減算することにより、高周波の誤差成分を相殺させることができ、高周波の誤差成分により、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの算出精度が低下することを抑制できる。
<演算対象のクランク角度の設定>
ガス圧トルク演算部53は、燃焼行程に対応するクランク角度範囲の各クランク角度θdを、演算対象のクランク角度θd_objに順番に設定し、設定した各クランク角度θdにおいて、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出する演算処理を行う。
ガス圧トルク演算部53は、燃焼行程に対応するクランク角度範囲の各クランク角度θdを、演算対象のクランク角度θd_objに順番に設定し、設定した各クランク角度θdにおいて、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出する演算処理を行う。
例えば、各クランク角度の燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnは、各気筒の燃焼行程が終了するごとに、記憶装置91に記憶された各クランク角度θdの検出値及び演算値に基づいて、まとめて演算されてもよいし、各クランク角度θdが検出されるごとに、演算されてもよい。
ガス圧トルク演算部53は、対応する角度識別番号n及びクランク角度θd等の角度情報と共に、算出した燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを、少なくとも燃焼行程以上の期間分、RAM等の記憶装置91に記憶する。
<未燃焼時データ>
未燃焼時データは、少なくとも燃焼行程を含むクランク角度区間の各クランク角度θdについて設定されている。未燃焼時データは、実験データに基づいて、予め設定され、ROM、EEPROM等の記憶装置91に記憶されている。本実施の形態では、未燃焼時データには、後述する未燃焼時軸トルク学習部56により未燃焼時の実軸トルクTcrkdに基づいて更新されたものが用いられる。
未燃焼時データは、少なくとも燃焼行程を含むクランク角度区間の各クランク角度θdについて設定されている。未燃焼時データは、実験データに基づいて、予め設定され、ROM、EEPROM等の記憶装置91に記憶されている。本実施の形態では、未燃焼時データには、後述する未燃焼時軸トルク学習部56により未燃焼時の実軸トルクTcrkdに基づいて更新されたものが用いられる。
未燃焼時データは、各気筒の燃焼行程に対応して設定されてもよい。例えば、未燃焼時データは、4行程間の各クランク角度θdについて設定されてもよい。
未燃焼時データは、少なくとも筒内圧及びピストンの往復慣性トルクに影響する運転状態ごとに設定されている。ガス圧トルク演算部53は、現在の運転状態に対応する未燃焼時データを参照し、各クランク角度θdに対応する未燃焼時の軸トルクTcrk_motを算出する。
未燃焼時の軸トルクTcrk_motは、少なくとも筒内圧及びピストンの往復慣性トルクに影響する運転状態によって変化する。上記の構成によれば、運転状態ごとに未燃焼時データが設定され、現在の運転状態に対応する未燃焼時データが参照されるので、未燃焼時の軸トルクTcrk_motの算出精度を向上することができる。
本実施の形態では、未燃焼時データの設定に係る運転状態は、内燃機関の回転速度、気筒内の吸入気体量、温度、並びに吸気バルブ及び排気バルブの一方又は双方の開閉タイミングのいずれか1つ以上に設定されている。内燃機関の回転速度は、クランク角速度ωdに対応する。気筒内の吸入気体量として、気筒内に吸入された空気及びEGRガスの気体量、充填効率、又は吸気管内のガス圧(本例では、吸気マニホールド内の圧力)等が用いられる。温度として、気筒内に吸入されるガス温度、又は内燃機関の冷却水温又は油温等が用いられる。吸気バルブの開閉タイミングとして、吸気可変バルブタイミング機構14による吸気バルブの開閉タイミングが用いられる。吸気バルブの開閉タイミングとして、排気可変バルブタイミング機構15による排気バルブの開閉タイミングが用いられる。
例えば、未燃焼時データとして、運転状態ごとに、図9に示すような、クランク角度θdと未燃焼時の軸トルクTcrk_motとの関係が設定されたマップデータが、記憶装置91に記憶されている。マップデータの代わりに多項式等の近似式が用いられてもよい。或いは、未燃焼時データとして、複数の運転状態及びクランク角度θdを入力とし、未燃焼時の軸トルクTcrk_motを出力するニューラルネットワーク等の高次の関数が用いられてもよい。
<未燃焼時の軸トルクに含まれる外部負荷トルク>
次式に示すように、未燃焼時の軸トルクTcrk_motに、未燃焼時の外部負荷トルクTload_motが含まれると、式(9)により算出される燃焼時の外部負荷トルクTload_brnに、未燃焼時の外部負荷トルクTload_motによる誤差が含まれる。
次式に示すように、未燃焼時の軸トルクTcrk_motに、未燃焼時の外部負荷トルクTload_motが含まれると、式(9)により算出される燃焼時の外部負荷トルクTload_brnに、未燃焼時の外部負荷トルクTload_motによる誤差が含まれる。
しかし、この場合でも、次式に示すように、式(11)による燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの算出時に、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnに含まれる未燃焼時の外部負荷トルクTload_motの誤差が、未燃焼時の軸トルクTcrk_motに含まれる未燃焼時の外部負荷トルクTload_motにより相殺され、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの算出精度は低下しない。よって、未燃焼時の軸トルクTcrk_motには、未燃焼時の外部負荷トルクTload_motが含まれてもよいし、含まれなくてもよい。
1-2-4.燃焼状態推定部54
燃焼状態推定部54は、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定する。
燃焼状態推定部54は、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定する。
本実施の形態では、燃焼状態推定部54は、筒内圧演算部541、及び燃焼パラメータ演算部542を備えている。
1-2-4-1.筒内圧演算部541
<未燃焼時の筒内圧の算出>
筒内圧演算部541は、内燃機関の燃焼状態において、現在の吸気管内のガス圧Pin、及び演算対象のクランク角度θd_objに基づいて、燃焼していないと仮定した場合の演算対象のクランク角度θd_objにおける未燃焼時の筒内圧Pcyl_motを算出する。
<未燃焼時の筒内圧の算出>
筒内圧演算部541は、内燃機関の燃焼状態において、現在の吸気管内のガス圧Pin、及び演算対象のクランク角度θd_objに基づいて、燃焼していないと仮定した場合の演算対象のクランク角度θd_objにおける未燃焼時の筒内圧Pcyl_motを算出する。
ここで、Nplyは、ポリトロープ指数であり、予め設定された値が用いられる。Vcyl0は、吸気弁の閉弁時の燃焼気筒のシリンダ容積であり、予め設定された値が用いられてもよいし、吸気可変バルブタイミング機構14による吸気バルブの閉弁タイミングに応じて変化されてよい。Vcly_θは、演算対象のクランク角度θd_objにおける燃焼気筒のシリンダ容積である。Spは、ピストンの頂面の投影面積であり、rは、クランク長さであり、Lは、コンロッド長さである。なお、三角関数の演算に用いられる演算対象のクランク角度θd_objには、燃焼気筒の圧縮行程の上死点を0度に設定した角度が用いられる。
式(14)の第2式の代わりに、クランク角度θdと燃焼気筒のシリンダ容積Vcly_θとの関係が予め設定されたデータ(例えば、マップデータ、近似式等)が用いられてもよい。また、式(14)の代わりに、クランク角度θdと未燃焼時の筒内圧Pcyl_motとの関係が予め設定されたデータ(例えば、マップデータ、近似式等)が用いられてもよい。吸気管内のガス圧Pinとして、吸気マニホールド内の圧力が用いられる。吸気弁の閉弁時近傍で検出され圧力が用いられるとよいが、他の近いタイミングで検出された圧力、又は圧力の平均値が用いられてもよい。
<燃焼時の筒内圧の算出>
そして、筒内圧演算部541は、算出した演算対象のクランク角度θd_objの未燃焼時の筒内圧Pcyl_motと、演算対象のクランク角度θd_objの燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnとに基づいて、演算対象のクランク角度θd_objにおける燃焼時の筒内圧Pcyl_brnを算出する。
そして、筒内圧演算部541は、算出した演算対象のクランク角度θd_objの未燃焼時の筒内圧Pcyl_motと、演算対象のクランク角度θd_objの燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnとに基づいて、演算対象のクランク角度θd_objにおける燃焼時の筒内圧Pcyl_brnを算出する。
本実施の形態では、筒内圧演算部541は、演算対象のクランク角度θd_objの燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brn、及び演算対象のクランク角度θd_objに基づいて、演算対象のクランク角度θd_objの燃焼による筒内圧の増加分ΔPcyl_brnを算出する。例えば、筒内圧演算部541は、次式に示を用いて、燃焼による筒内圧の増加分ΔPcyl_brnを算出する。
ここで、Spは、ピストンの頂面の投影面積であり、Rbは、燃焼気筒のピストンに生じた力をトルクに変換する変換係数であり、rは、クランク長さであり、φは、燃焼気筒のコンロッドの角度であり、クランク長さrとコンロッド長さLとの比であるコンロッド比とクランク角度θd_objとに基づいて算出される。なお、三角関数の演算に用いられる演算対象のクランク角度θd_objには、燃焼気筒の圧縮行程の上死点を0度に設定した角度が用いられる。なお、式(15)の第2式の代わりに、クランク角度θdと変換係数Rbとの関係が予め設定されたデータ(例えば、マップデータ、近似式等)が用いられてもよい。
そして、筒内圧演算部541は、次式に示すように、演算対象のクランク角度θd_objにおいて、未燃焼時の筒内圧Pcyl_motと燃焼による筒内圧の増加分ΔPcyl_brnとを加算して、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnを算出する。
筒内圧演算部541は、燃焼行程に対応するクランク角度範囲の各クランク角度θdを、演算対象のクランク角度θd_objに順番に設定し、設定した各クランク角度θdにおいて、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnを算出する演算処理を行う。
例えば、各クランク角度の燃焼時の筒内圧Pcyl_brnは、各気筒の燃焼行程が終了するごとに、記憶装置91に記憶された各クランク角度θdの検出値及び演算値に基づいて、まとめて演算されてもよいし、各クランク角度θdが検出されるごとに、演算されてもよい。
筒内圧演算部541は、対応する角度識別番号n及びクランク角度θd等の角度情報と共に、算出した燃焼時の筒内圧Pcyl_brnを、少なくとも燃焼行程以上の期間分、RAM等の記憶装置91に記憶する。
1-2-4-2.燃焼パラメータ演算部542
燃焼パラメータ演算部542は、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnに基づいて、燃焼状態を表す燃焼パラメータを算出する。例えば、燃焼パラメータとして、熱発生率、質量燃焼割合MFB、及び図示平均有効圧力IMEPの少なくとも1つ以上が算出される。なお、他の種類の燃焼パラメータが算出されてもよい。
燃焼パラメータ演算部542は、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnに基づいて、燃焼状態を表す燃焼パラメータを算出する。例えば、燃焼パラメータとして、熱発生率、質量燃焼割合MFB、及び図示平均有効圧力IMEPの少なくとも1つ以上が算出される。なお、他の種類の燃焼パラメータが算出されてもよい。
ここで、κは、比熱比であり、Vcly_θは、演算対象のクランク角度θd_objにおける燃焼気筒のシリンダ容積であり、式(14)の第2式を用いて説明したように算出される。燃焼パラメータ演算部542は、燃焼行程に対応するクランク角度範囲の各クランク角度θdを、演算対象のクランク角度θd_objに順番に設定し、設定した各クランク角度θdにおいて、熱発生率dQ/dθdを算出する演算処理を行う。算出された各演算対象のクランク角度θd_objの熱発生率dQ/dθdは、他の演算値と同様に、RAM等の記憶装置91に記憶される。
燃焼パラメータ演算部542は、式(18)を用い、熱発生率dQ/dθdを、燃焼開始角度θ0から演算対象のクランク角度θd_objまで積分した区間積分値を、燃焼角度区間全体に亘って熱発生率dQ/dθdを積分した全積分値Q0で除算して、各演算対象のクランク角度θd_objの質量燃焼割合MFBを算出する。燃焼パラメータ演算部542は、燃焼行程に対応するクランク角度範囲の各クランク角度θdを、演算対象のクランク角度θd_objに順番に設定し、設定した各クランク角度θdにおいて、質量燃焼割合MFBを算出する演算処理を行う。算出された各演算対象のクランク角度θd_objの質量燃焼割合MFBは、他の演算値と同様に、RAM等の記憶装置91に記憶される。
ここで、Vcylallは、行程容積であり、Vcylsは、積分開始のシリンダ容積であり、Vclyeは、積分終了のシリンダ容積である。積分を行う容積区間は、4行程に対応する容積区間に設定されてよいし、少なくとも燃焼行程に対応する容積区間に設定されてもよい。Vcly_θは、式(14)の第2式に示すように、クランク角度θdに基づいて算出される。燃焼パラメータ演算部542は、各クランク角度θdを、演算対象のクランク角度θd_objに順番に設定し、設定した各クランク角度θdにおいて、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnの積分処理を行う。
1-2-5.燃焼制御部55
燃焼制御部55は、燃焼パラメータに基づいて、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させる燃焼制御を行う。本実施の形態では、燃焼制御部55は、質量燃焼割合MFBが0.5(50%)になるクランク角度θd(燃焼中心角度と称す)を判定し、燃焼中心角度が予め設定された目標角度に近づくように、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させる。例えば、燃焼制御部55は、燃焼中心角度が目標角度よりも遅角側である場合は、点火時期を進角側に変化させる、又はEGRバルブ22の開度を増加させてEGR量を増加させる。なお、EGR量を増加させれば、燃焼速度が緩やかになり、燃焼中心角度が進角側に変化する。一方、燃焼制御部55は、燃焼中心角度が目標角度よりも進角側である場合は、点火時期を遅角側に変化させる、又はEGRバルブ22の開度を減少させてEGR量を減少させる。
燃焼制御部55は、燃焼パラメータに基づいて、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させる燃焼制御を行う。本実施の形態では、燃焼制御部55は、質量燃焼割合MFBが0.5(50%)になるクランク角度θd(燃焼中心角度と称す)を判定し、燃焼中心角度が予め設定された目標角度に近づくように、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させる。例えば、燃焼制御部55は、燃焼中心角度が目標角度よりも遅角側である場合は、点火時期を進角側に変化させる、又はEGRバルブ22の開度を増加させてEGR量を増加させる。なお、EGR量を増加させれば、燃焼速度が緩やかになり、燃焼中心角度が進角側に変化する。一方、燃焼制御部55は、燃焼中心角度が目標角度よりも進角側である場合は、点火時期を遅角側に変化させる、又はEGRバルブ22の開度を減少させてEGR量を減少させる。
或いは、燃焼制御部55は、熱発生率dQ/dθdが最大値になるクランク角度θdを判定し、当該クランク角度θdが予め設定された目標角度に近づくように、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させるように構成されてもよい。
或いは、燃焼制御部55は、図示平均有効圧力IMEPが、運転状態毎に設定された目標値に近づくように、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させるように構成されてもよい。
燃焼状態に関係する他の制御パラメータ(例えば、吸気バルブの開閉タイミング、排気バルブの開閉タイミング)が変化されてもよい
1-2-6.未燃焼時軸トルク学習部56
未燃焼時軸トルク学習部56は、内燃機関の未燃焼状態において、各クランク角度θdにおいて演算された未燃焼時の実軸トルクTcrkdにより、未燃焼時データを更新する。
未燃焼時軸トルク学習部56は、内燃機関の未燃焼状態において、各クランク角度θdにおいて演算された未燃焼時の実軸トルクTcrkdにより、未燃焼時データを更新する。
例えば、未燃焼時データを更新する未燃焼状態は、燃料カットが実施されている状態、又は未燃焼状態で内燃機関の外部からの駆動力(例えば、電動機の駆動力、車輪から伝達される駆動力)によって内燃機関が駆動されている状態である。
本実施の形態では、未燃焼時軸トルク学習部56は、記憶装置91に記憶されている未燃焼時データを参照し、更新対象のクランク角度θdに対応する未燃焼時の軸トルクTcrkを読み出し、読み出した未燃焼時の軸トルクTcrkが、更新対象のクランク角度θdで演算された未燃焼時の実軸トルクTcrkdに近づくように、記憶装置91に記憶されている未燃焼時データに設定されている更新対象のクランク角度θdの未燃焼時の軸トルクTcrkを変化させる。
実験データに基づいて予め設定され、ROM、EEPROM等に記憶されている初期の未燃焼時データからの変化分は、変化分の未燃焼時データとしてバックアップRAM等に記憶され、更新されるとよい。そして、予め設定された初期の未燃焼時データから読み出された値と、変化分の未燃焼時データから読み出された値との合計値が、最終的な未燃焼時の軸トルクTcrkとして用いられるとよい。
上述したように、本実施の形態では、未燃焼時データは、運転状態ごとに設定されるので、未燃焼時の実軸トルクTcrkd_motが演算された運転状態に対応する未燃焼時データが更新される。なお、変化分の未燃焼時データは、初期の未燃焼時データと同様に、運転状態ごとに設定される。未燃焼時データ、又は変化分の未燃焼時データに、ニューラルネットワークが用いられる場合は、未燃焼時の実軸トルクTcrkd等が教師データに設定され、バックプロパゲーション等によりニューラルネットワークが学習される。
更新に用いられる未燃焼時の実軸トルクTcrkdには、行程周期よりも長い周期の成分を減衰させるハイパスフィルタ処理が行われてよい。このハイパスフィルタ処理により、未燃焼時の実軸トルクTcrkdに含まれる外部負荷トルクTloadを低減することができ、外部負荷トルクTloadの変動により、更新された未燃焼時データが変動することを抑制できる。
未燃焼時軸トルク学習部56は、未燃焼状態の複数回の燃焼行程において各クランク角度θdで演算された複数回の未燃焼時の実軸トルクTcrkdに対して統計処理を行った値により、未燃焼時データに設定されている各クランク角度θdの未燃焼時の軸トルクTcrk_motを更新してもよい。統計処理値として、平均値、中央値などが用いられる。例えば、未燃焼時データに設定されている各クランク角度θdの未燃焼時の軸トルクTcrk_motが、各クランク角度θdの統計処理値に置き換えられる、又は近づけられる。
或いは、未燃焼時軸トルク学習部56は、未燃焼状態の各クランク角度θdで演算された未燃焼時の実軸トルクTcrkdに対して、クランク角度θdごとにローパスフィルタ処理を行った値により、未燃焼時データに設定されている各クランク角度θdの未燃焼時の軸トルクTcrk_motを更新する。各クランク角度θdについて、個別に、フィルタ処理が行われ、フィルタ値が算出される。ローパスフィルタ処理には、例えば、上述した有限インパルス応答(FIR)フィルタ、一次遅れフィルタ等が用いられる。未燃焼時データに設定されている各クランク角度θdの未燃焼時の軸トルクTcrk_motが、各クランク角度θdのフィルタ値に置き換えられる、又は近づけられる。
<処理全体の概略フローチャート>
本実施の形態に係る制御装置50の概略的な処理の手順(内燃機関の制御方法)について、図10に示すフローチャートに基づいて説明する。図10のフローチャートの処理は、演算処理装置90が記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行することにより、例えば、クランク角度θdを検出する毎、又は所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
本実施の形態に係る制御装置50の概略的な処理の手順(内燃機関の制御方法)について、図10に示すフローチャートに基づいて説明する。図10のフローチャートの処理は、演算処理装置90が記憶装置91に記憶されたソフトウェア(プログラム)を実行することにより、例えば、クランク角度θdを検出する毎、又は所定の演算周期毎に繰り返し実行される。
ステップS01で、上述したように、角度情報検出部51は、第2クランク角センサ6の出力信号に基づいて、クランク角度θd、クランク角速度ωd、及びクランク角加速度αdを検出する角度情報検出処理(角度情報検出ステップ)を実行する。
ステップS02で、上述したように、実軸トルク演算部52は、クランク角加速度αd、及びクランク軸系の慣性モーメントIcrkに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクTcrkdを算出する実軸トルク演算処理(実軸トルク演算ステップ)を実行する。
ステップS03で、制御装置50は、内燃機関の燃焼状態であるか、内燃機関の未燃焼状態であるかを判定し、燃焼状態である場合は、ステップS04に進み、未燃焼状態である場合は、ステップS08に進む。ここで、燃焼状態及び燃焼時は、制御装置50が、燃焼行程で燃料を燃焼させるように制御している状態及び時であり、未燃焼状態及び未燃焼時は、制御装置50が、燃焼行程で燃料を燃焼させないように制御している状態及び時である。
ステップS04で、上述したように、ガス圧トルク演算部53は、内燃機関の燃焼状態において、クランク角度θdと未燃焼時の軸トルクTcrk_motとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、上死点近傍のクランク角度θd_tdcに対応する未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcを算出する。そして、上述したように、ガス圧トルク演算部53は、ガス圧トルク演算部53は、算出した上死点近傍の未燃焼時の軸トルクTcrk_mot_tdcと、上死点近傍のクランク角度θd_tdcにおいて実軸トルク演算部52により演算された上死点近傍の燃焼時の実軸トルクTcrkd_brn_tdcとに基づいて、燃焼時の外部負荷トルクTload_brnを算出する。この燃焼時の外部負荷トルクTload_brnの演算処理は、1回の燃焼行程で1回、例えば、上死点近傍のクランク角度θd_tdcで行われる。
そして、ステップS05で、上述したように、ガス圧トルク演算部53は、内燃機関の燃焼状態において、クランク角度θdと未燃焼時の軸トルクTcrk_motとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度θd_objに対応する未燃焼時の軸トルクTcrk_motを算出する。そして、ガス圧トルク演算部53は、算出した演算対象のクランク角度θd_objの未燃焼時の軸トルクTcrk_motと、演算対象のクランク角度θd_objに対応する燃焼時の実軸トルクTcrkd_brnと、算出した燃焼時の外部負荷トルクTload_brnとに基づいて、演算対象のクランク角度θd_objにおいて、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出する。燃焼行程に対応するクランク角度範囲の各クランク角度θdを、演算対象のクランク角度θd_objに順番に設定し、設定した各クランク角度θdにおいて、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出する演算処理を行う。この燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの演算処理は、各クランク角度θdの検出時点で、順番に行われてもよいし、1回の燃焼行程の終了後にまとめて行われてもよい。このステップS04及びステップS05の処理を、ガス圧トルク演算処理(ガス圧トルク演算ステップ)と称す。
ステップS06で、上述したように、燃焼状態推定部54は、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnに基づいて内燃機関の燃焼状態を推定する燃焼状態推定処理(燃焼状態推定ステップ)を実行する。本実施の形態では、上述したように、筒内圧演算部541は、内燃機関の燃焼状態において、現在の吸気管内のガス圧Pin、及び演算対象のクランク角度θd_objに基づいて、燃焼していないと仮定した場合の演算対象のクランク角度θd_objにおける未燃焼時の筒内圧Pcyl_motを算出する。そして、上述したように、筒内圧演算部541は、算出した演算対象のクランク角度θd_objの未燃焼時の筒内圧Pcyl_motと、演算対象のクランク角度θd_objの燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnとに基づいて、演算対象のクランク角度θd_objにおける燃焼時の筒内圧Pcyl_brnを算出する。
また、上述したように、燃焼パラメータ演算部542は、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnに基づいて、熱発生率及び質量燃焼割合MFBの一方又は双方の燃焼パラメータを算出する。この燃焼時の筒内圧Pcyl_brn、及び燃焼パラメータの演算処理は、各クランク角度θdの検出時点で、順番に行われてもよいし、1回の燃焼行程の終了後にまとめて行われてもよい。
ステップS07で、上述したように、燃焼制御部55は、燃焼パラメータに基づいて、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させる燃焼制御処理(燃焼制御ステップ)を実行する。
一方、内燃機関の未燃焼状態である場合は、ステップS08で、上述したように、未燃焼時軸トルク学習部56は、内燃機関の未燃焼状態において、各クランク角度θdにおいて演算された未燃焼時の実軸トルクTcrkdにより、未燃焼時データを更新する未燃焼時軸トルク学習処理(未燃焼時軸トルク学習ステップ)を実行する。
〔その他の実施の形態〕
本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
(1)上記の実施の形態1においては、第2クランク角センサ6の出力信号に基づいて、クランク角度θd、クランク角速度ωd、及びクランク角加速度αdが検出される場合を例に説明した。しかし、第1クランク角センサ11の出力信号に基づいて、クランク角度θd、クランク角速度ωd、及びクランク角加速度αdが検出されてもよい。
(2)上記の実施の形態1においては、気筒数が3つの3気筒エンジンが用いられる場合を例に説明した。しかし、任意の気筒数(例えば、1気筒、2気筒、4気筒、6気筒)のエンジンが用いられてもよい。任意の気筒数のエンジンでも、未燃焼時データを参照して算出される未燃焼時の軸トルクには、未燃焼状態である場合の全気筒の筒内圧によるガス圧トルクと、全気筒のピストンの往復慣性トルクとが含まれるため、式(10)に示したように、燃焼時の実軸トルクTcrkdから、未燃焼時の軸トルクTcrk_motを減算し、外部負荷トルクTload_brnを加算するだけで、簡単な演算により、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnを算出することができる。
(2)上記の実施の形態1においては、内燃機関1は、ガソリンエンジンとされている場合を例として説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、内燃機関1は、ディーゼルエンジン、HCCI燃焼(Homogeneous-Charge Compression Ignition Combustion)を行うエンジン等の各種の内燃機関とされてもよい。
(3)上記の実施の形態1では、制御装置50は、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brn等に基づいて、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnを算出し、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnに基づいて、熱発生率及び質量燃焼割合MFBの一方又は双方の燃焼パラメータを算出し、内燃機関の燃焼状態を推定する場合を例に説明した。しかし、制御装置50は、燃焼時の筒内圧Pcyl_brn及び燃焼パラメータを算出することなく、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brnの挙動(例えば、燃焼行程の積算値、燃焼行程のピーク値、ピーク値のクランク角度等)に基づいて、燃焼状態を推定してもよい。或いは、制御装置50は、燃焼パラメータを算出することなく、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnの挙動(例えば、燃焼行程の積算値、燃焼行程のピーク値、ピーク値のクランク角度等)に基づいて、燃焼状態を推定してもよい。
(4)上記の実施の形態1においては、制御装置50は、燃焼時の筒内圧Pcyl_brnに基づいて、熱発生率及び質量燃焼割合を算出し、燃焼制御を行うように構成されている場合を例に説明した。しかし、制御装置50は、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔTgas_brn、燃焼時の筒内圧Pcyl_brn、又は熱発生率に基づいて、燃焼気筒の失火検出等の他の制御を行うように構成されてもよい。
本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
1 内燃機関、2 クランク軸、5 ピストン、6 第2クランク角センサ(クランク角センサ)、7 気筒、9 コンロッド、32 クランク、50 内燃機関の制御装置、51 角度情報検出部、52 実軸トルク演算部、53 ガス圧トルク演算部、54 燃焼状態推定部、541 筒内圧演算部、542 燃焼パラメータ演算部、55 燃焼制御部、56 未燃焼時軸トルク学習部、Icrk 慣性モーメント、MFB 質量燃焼割合、Pcyl_brn 燃焼時の筒内圧、Pcyl_mot 未燃焼時の筒内圧、Pin 吸気管内のガス圧、Tcrk_mot 未燃焼時の軸トルク、Tcrk_mot_tdc 上死点近傍の未燃焼時の軸トルク、Tcrkd 実軸トルク、Tcrkd_brn 燃焼時の実軸トルク、Tcrkd_brn_tdc 上死点近傍の燃焼時の実軸トルク、Tcrkd_mot 未燃焼時の実軸トルク、Tload_brn 燃焼時の外部負荷トルク、ΔTgas_brn 燃焼によるガス圧トルクの増加分、αd クランク角加速度、θd クランク角度、θd_obj 演算対象のクランク角度、θd_tdc 上死点近傍のクランク角度、ωd クランク角速度
Claims (13)
- クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度及びクランク角加速度を検出する角度情報検出部と、
前記クランク角加速度、及びクランク軸系の慣性モーメントに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクを算出する実軸トルク演算部と、
内燃機関の燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の前記未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度において前記実軸トルク演算部により演算された燃焼時の前記実軸トルクとに基づいて、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである外部負荷トルクを算出し、
前記未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記演算対象のクランク角度に対応する燃焼時の前記実軸トルクと、算出した前記外部負荷トルクとに基づいて、前記演算対象のクランク角度において、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出するガス圧トルク演算部と、
を備えた内燃機関の制御装置。 - 前記ガス圧トルク演算部は、燃焼行程に対応するクランク角度範囲の各クランク角度を、前記演算対象のクランク角度に順番に設定し、設定した各クランク角度において、前記燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出する演算処理を行う請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記燃焼によるガス圧トルクの増加分に基づいて内燃機関の燃焼状態を推定する燃焼状態推定部を備えた請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
- 内燃機関の燃焼状態において、現在の吸気管内のガス圧、及び前記演算対象のクランク角度に基づいて、燃焼していないと仮定した場合の前記演算対象のクランク角度における未燃焼時の筒内圧を算出し、
算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の筒内圧と、前記演算対象のクランク角度の前記燃焼によるガス圧トルクの増加分とに基づいて、前記演算対象のクランク角度における燃焼時の筒内圧を算出する筒内圧演算部を備えた請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記燃焼時の筒内圧に基づいて、燃焼状態を表す燃焼パラメータを算出する燃焼パラメータ演算部と、
前記燃焼パラメータに基づいて、少なくとも点火時期及びEGR量の一方又は双方を変化させる燃焼制御部と、を備えた請求項4に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記未燃焼時データは、少なくとも、内燃機関の回転速度、気筒内の吸入気体量、内燃機関の温度、並びに吸気バルブ及び排気バルブの一方又は双方の開閉タイミングのいずれか1つ以上を含む運転状態ごとに設定され、
前記ガス圧トルク演算部は、現在の前記運転状態に対応する前記未燃焼時データを参照し、前記未燃焼時の軸トルクを算出する請求項1から5のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。 - 前記角度情報検出部は、前記クランク角加速度を算出する際に、高周波成分を除去するフィルタ処理を行う請求項1から6のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記角度情報検出部は、未燃焼状態と燃焼状態との間で、同じフィルタ特性の前記フィルタ処理を行う請求項7に記載の内燃機関の制御装置。
- 内燃機関の未燃焼状態において、各クランク角度において演算された未燃焼時の前記実軸トルクにより、前記未燃焼時データを更新する未燃焼時軸トルク学習部を備えた請求項1から8のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記未燃焼時データを更新する前記未燃焼状態は、燃料カットが実施されている状態である請求項9に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記未燃焼時軸トルク学習部は、前記未燃焼状態の複数回の燃焼行程において各クランク角度で演算された複数回の未燃焼時の前記実軸トルクに対して統計処理を行った値により、前記未燃焼時データに設定されている各クランク角度の前記未燃焼時の軸トルクを更新する請求項9又は10に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記未燃焼時軸トルク学習部は、前記未燃焼状態の各クランク角度で演算された未燃焼時の前記実軸トルクに対して、クランク角度ごとにローパスフィルタ処理を行った値により、前記未燃焼時データに設定されている各クランク角度の前記未燃焼時の軸トルクを更新する請求項9又は10に記載の内燃機関の制御装置。
- クランク角センサの出力信号に基づいて、クランク角度及びクランク角加速度を検出する角度情報検出ステップと、
前記クランク角加速度、及びクランク軸系の慣性モーメントに基づいて、クランク軸にかかる実軸トルクを算出する実軸トルク演算ステップと、
内燃機関の燃焼状態において、クランク角度と未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時データを参照し、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した上死点近傍の前記未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度において前記実軸トルク演算ステップにおいて演算された燃焼時の前記実軸トルクとに基づいて、内燃機関の外部からクランク軸にかかるトルクである外部負荷トルクを算出し、
前記未燃焼時データを参照し、演算対象のクランク角度に対応する前記未燃焼時の軸トルクを算出し、算出した前記演算対象のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記演算対象のクランク角度に対応する燃焼時の前記実軸トルクと、算出した前記外部負荷トルクとに基づいて、前記演算対象のクランク角度において、気筒内のガス圧によりクランク軸にかかるガス圧トルクの内、燃焼によるガス圧トルクの増加分を算出するガス圧トルク演算ステップと、
を備えた内燃機関の制御方法。
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