JP2023085688A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クランク角センサによる角度検出情報に基づいて燃焼状態を検出する際に、角度検出情報に含まれる外部負荷トルク等の外乱成分の影響により燃焼状態の検出精度が低下することを抑制できる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】未燃焼状態であると仮定した場合の未燃焼時の軸トルクを算出し、上死点近傍のクランク角度の未燃焼時の軸トルクと、上死点近傍のクランク角度の実軸トルクとに基づいて外部負荷トルクを算出し、燃焼期間に対応して設定された積算クランク角度区間において、未燃焼時の軸トルクから外部負荷トルクを減算した値を慣性モーメントで除算した値を、クランク角加速度から減算した値を、積算して燃焼状態指標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に関するものである。

特許文献１の技術では、圧縮行程のクランク角速度を下死点から上死点の範囲で積分し、膨張行程のクランク角速度を上死点から下死点の範囲で積分し、膨張行程のクランク角速度の積分値から圧縮行程のクランク角速度の積分値を減算して平均有効圧を求めている。

特開平７－３３２１５１号公報

しかし、クランク角速度には、路面からの反力等の外部負荷トルクの影響が含まれ、また、複数気筒を有する内燃機関の場合は、他気筒の影響が含まれる。そのため、特許文献１の技術のように、単にクランク角速度を積算するだけでは、外部負荷トルク及び他気筒等の外乱成分の影響により、燃焼気筒の平均有効圧の検出精度が低下する。

そこで、本願は、クランク角センサによる角度検出情報に基づいて燃焼状態を検出する際に、角度検出情報に含まれる外部負荷トルク等の外乱成分の影響により燃焼状態の検出精度が低下することを抑制できる内燃機関の制御装置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、
各クランク角度において、未燃焼状態であると仮定した場合の未燃焼時の軸トルクを算出する未燃焼軸トルク算出部と、
燃焼行程の上死点近傍のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記上死点近傍のクランク角度の前記クランク角加速度にクランク軸系の慣性モーメントを乗算した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する外部負荷トルク算出部と、
燃焼期間に対応して設定された積算クランク角度区間において、各クランク角度の前記未燃焼時の軸トルクから前記外部負荷トルクを減算した値を前記慣性モーメントで除算した値を、各クランク角度の前記クランク角加速度から減算した値を、積算して燃焼状態指標を算出する燃焼指標算出部と、
を備えたものである。

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、
各クランク角度において、未燃焼状態であると仮定した場合の未燃焼時のクランク角加速度を算出する未燃焼加速度算出部と、
燃焼行程の上死点近傍のクランク角度の前記未燃焼時のクランク角加速度と、前記上死点近傍のクランク角度の前記クランク角加速度とに基づいて、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によるクランク角加速度成分である外部負荷加速度成分を算出する外部負荷加速度算出部と、
燃焼期間に対応して設定された積算クランク角度区間において、各クランク角度の前記クランク角加速度から、各クランク角度の前記未燃焼時のクランク角加速度を減算し、前記外部負荷加速度成分を加算した値を積算して燃焼状態指標を算出する燃焼指標算出部と、
を備えたものである。

本願に係る内燃機関の制御装置によれば、積算対象の値に慣性モーメントを乗算した値は、燃焼によるガス圧トルクの増加分に相当する。燃焼によるガス圧トルクの増加分は、燃焼によるガス圧（筒内圧）の増加により生じたトルクであり、基本的に、燃焼期間以外は０になる。よって、燃焼期間に対応する積算クランク角度区間の積算値である燃焼状態指標は、１燃焼サイクルの燃焼による仕事量に相当する。一方、図示平均有効圧は、筒内容積について筒内圧を積算した１燃焼サイクルの仕事量に相当し、主に、燃焼による筒内圧の増加分の積算値に応じた値になる。従って、燃焼状態指標は、図示平均有効圧に相当する。よって、燃焼状態指標により、図示平均有効圧の相当値を算出することができ、燃焼状態を評価できる。なお、外部負荷トルク又は外部負荷加速度成分が算出され、燃焼状態指標の算出に反映されているので、燃焼状態指標の算出精度が悪化することを抑制できる。

実施の形態１に係る内燃機関および制御装置の概略構成図である。 実施の形態１に係る内燃機関および制御装置の概略構成図である。 実施の形態１に係る制御装置のブロック図である。 実施の形態１に係る制御装置のハードウェア構成図である。 実施の形態１に係る角度情報検出処理を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係る角度情報算出処理を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係る未燃焼時の筒内圧と燃焼時の筒内圧とを説明する図である。 実施の形態１に係る未燃焼時軸トルクデータを説明する図である。 実施の形態１に係る制御装置の概略的な処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る制御装置のブロック図である。 実施の形態２に係る制御装置の概略的な処理の手順を示すフローチャートである。

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。

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。

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、未燃焼軸トルク算出部５３、外部負荷トルク算出部５４、燃焼指標算出部５５、及び燃焼制御部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軸トルクデータ、慣性モーメントＩｃｒｋ、判定値等の設定データは、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、クランク角加速度αｄ、外部負荷トルクＴｌｏａｄ、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘ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。

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１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。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。

例えば、ＦＩＲフィルタとして、式（３）に示す処理が行われる。

ここで、ΔＴｄｆ（ｎ）は、フィルタ後の時間間隔（クランク角周期）であり、Ｎは、フィルタ次数であり、ｂｊは、フィルタ係数である。

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。

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。

本実施の形態では、図６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、上死点近傍のクランク角度θｄ＿ｔｄｃを含む各クランク角度θｄにおいて、クランク角加速度αｄの検出値、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Ｔｃｒｋｄが算出される各クランク角度θｄは、算出された実軸トルクＴｃｒｋｄが用いられる各クランク角度θｄに限定されてもよい。

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）の検出値に、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、少なくとも後述する積算クランク角度区間以上の期間分、ＲＡＭ等の記憶装置９１に記憶する。

１－２－３．未燃焼軸トルク算出部５３
図７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、燃焼時の実軸トルクＴｃｒｋｄ＿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、外部負荷トルクＴｌｏａｄが含まれていないため、次式に示すように、外部負荷トルクＴｌｏａｄ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、今回の外部負荷トルクＴｌｏａｄ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、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＞
未燃焼軸トルク算出部５３は、各クランク角度において、現在の運転状態において未燃焼状態であると仮定した場合の未燃焼時の軸トルクＴｃｒｋ＿ｍｏｔを算出する。

本実施の形態では、未燃焼軸トルク算出部５３は、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軸トルクデータを参照し、各クランク角度に対応する未燃焼時の軸トルクＴｃｒｋ＿ｍｏｔを算出する。

未燃焼時軸トルクデータは、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。未燃焼時軸トルクデータには、後述するように、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てもよい。

未燃焼時軸トルクデータは、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。未燃焼軸トルク算出部５３は、現在の運転状態に対応する未燃焼時軸トルクデータを参照し、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。

本実施の形態では、未燃焼時軸トルク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、未燃焼時軸トルクデータとして、運転状態ごとに、図８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、未燃焼時軸トルクデータとして、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。

未燃焼軸トルク算出部５３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、未燃焼時軸トルクデータを更新する。例えば、未燃焼軸トルク算出部５３は、記憶装置９１に記憶されている未燃焼時軸トルクデータを参照し、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軸トルク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。

＜筒内吸入気体量の状態のずれの補償＞
参照した未燃焼時軸トルクデータに対応する特定の筒内吸入気体量の状態と、現在の筒内吸入気体量の状態とがずれている場合がある。この場合は、未燃焼軸トルク算出部５３は、各クランク角度θｄにおいて、クランク機構の物理モデル式を用い、参照する未燃焼時軸トルクデータに対応する特定の筒内吸入気体量の状態であり、且つ、未燃焼状態であると仮定した場合における、気筒内のガス圧及びピストンの往復運動により生じるトルクである未燃焼仮定の発生トルクを算出する。ここで、特定の筒内吸入気体量の状態には、参照された未燃焼時軸トルクデータの測定時の運転状態が用いられる。

未燃焼軸トルク算出部５３は、各クランク角度θｄにおいて、気筒内のガス圧により生じるガス圧トルクを算出する物理モデル式を用い、特定の筒内吸入気体量の状態に基づいて、未燃焼状態であると仮定した場合の気筒内のガス圧により生じるガス圧トルクを算出する。

そして、未燃焼軸トルク算出部５３は、各クランク角度θｄにおいて、ガス圧トルクと慣性トルクとを合計して、特定の筒内吸入気体量の状態における未燃焼仮定の発生トルクを算出する。

一方、未燃焼軸トルク算出部５３は、各クランク角度θｄにおいて、クランク機構の物理モデル式を用い、現在の筒内吸入気体量の状態において未燃焼であると仮定した場合における、気筒内のガス圧及びピストンの往復運動により生じるトルクである、現在の筒内吸入気体量の状態における未燃焼仮定の発生トルクを算出する。

未燃焼軸トルク算出部５３は、各クランク角度θｄにおいて、気筒内のガス圧により生じるガス圧トルクを算出する物理モデル式を用い、現在の筒内吸入気体量の状態に基づいて、内燃機関が未燃焼状態であると仮定した場合の気筒内のガス圧により生じるガス圧トルクを算出する。

そして、未燃焼軸トルク算出部５３は、各クランク角度θｄにおいて、ガス圧トルクと慣性トルクとを合計して、現在の筒内吸入気体量の状態の未燃焼仮定の発生トルクを算出する。

未燃焼軸トルク算出部５３は、各クランク角度θｄにおいて、未燃焼時軸トルクデータを参照して算出した未燃焼時の軸トルクＴｃｒｋ＿ｍｏｔから特定の筒内吸入気体量の状態の未燃焼仮定の発生トルクを減算したトルク差を、現在の筒内吸入気体量の状態の未燃焼仮定の発生トルクに加算して、最終的な未燃焼時の軸トルクＴｃｒｋ＿ｍｏｔを算出する。

１－２－４．外部負荷トルク算出部５４
外部負荷トルク算出部５４は、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度θｄ＿ｔｄｃ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のクランク角速度αｄ＿ｔｄｃにクランク軸系の慣性モーメントＩｃｒｋを乗算した実軸トルクＴｃｒｋｄ＿ｂｒｎ＿ｔｄｃ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Ｔｌｏａｄ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、外部負荷トルク算出部５４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、外部負荷トルクＴｌｏａｄを算出する。

上死点近傍のクランク角度θｄ＿ｔｄｃは、圧縮行程と燃焼行程との間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。

１－２－５．燃焼指標算出部５５
燃焼指標算出部５５は、次式に示すように、燃焼期間に対応して設定された積算クランク角度区間において、各クランク角度θｄ（ｎ）の未燃焼時の軸トルクＴｃｒｋ＿ｍｏｔ（ｎ）から外部負荷トルクＴｌｏａｄを減算した値を慣性モーメントＩｃｒｋで除算した値を、各クランク角度θｄ（ｎ）のクランク角加速度αｄ（ｎ）から減算した値を、積算して燃焼状態指標αｉｎｄｅｘを算出する。ここで、ｎｓｔは、積算クランク角度区間の開始クランク角度θｓｔに対応する角度識別番号ｎであり、ｎｅｎｄは、積算クランク角度区間の終了クランク角度θｅｎｄに対応する角度識別番号ｎである。

式（６）及び式（７）を用いて式（１０）を変形すると、次式のようになる。すなわち、式（１０）により算出される燃焼状態指標αｉｎｄｅｘは、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔＴｇａｓ＿ｂｒｎを慣性モーメントＩｃｒｋで除算した値を、燃焼期間に対応して設定された積算クランク角度区間において積算した積算値に相当する。

なお、式（１０）の代わりに、式（１１）が用いられてもよい。或いは、燃焼状態指標として、式（１０）又は式（１１）の右辺に慣性モーメントＩｃｒｋを乗算した式を用い、燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔＴｇａｓ＿ｂｒｎの積算値が算出されてもよい。いずれも数学的に等価であり、同等の物理的な意味を有する。

燃焼によるガス圧トルクの増加分ΔＴｇａｓ＿ｂｒｎは、図７に示したように、燃焼によるガス圧（筒内圧）の増加により生じたトルクであり、基本的に、燃焼期間以外は０になる。よって、燃焼期間に対応する積算クランク角度区間のΔＴｇａｓ＿ｂｒｎの積算値は、１燃焼サイクルの燃焼による仕事量に相当する。一方、図示平均有効圧ＩＭＥＰは、筒内容積について筒内圧を積算した１燃焼サイクルの仕事量に相当し、主に、燃焼による筒内圧の増加分の積算値に応じた値になる。従って、ΔＴｇａｓ＿ｂｒｎの積算値は、図示平均有効圧ＩＭＥＰに相当する。よって、次式に示すように、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘに所定のゲインＡを乗算し、所定のオフセットＢを加算した値は、図示平均有効圧ＩＭＥＰに相当する。よって、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘにより、図示平均有効圧ＩＭＥＰの相当値を算出することができ、燃焼状態を評価できる。

図示平均有効圧ＩＭＥＰの相当値の算出精度を高めるためには、積算クランク角度区間は、燃焼によりガス圧が増加する燃焼期間を含む必要がある。燃焼指標算出部５５は、積算クランク角度区間の開始クランク角度θｓｔを、燃焼開始角度θｃｎｖｓｔに基づいて設定する。燃焼開始角度θｃｎｖｓｔは、基本的に、点火時期の直後になる。よって、燃焼指標算出部５５は、少なくとも点火時期に基づいて、燃焼開始角度θｃｎｖｓｔを算出し、燃焼開始角度θｃｎｖｓｔよりも所定角度だけ進角側の角度を、開始クランク角度θｓｔとして算出する。なお、燃焼開始角度θｃｎｖｓｔの算出に、回転速度、筒内吸入気体量、及びＥＧＲ量等の他の内燃機関の運転状態が用いられてもよい。プレイグニッションの発生時は、点火時期よりも前に、燃焼が開始する。よって、プレイグニッションが発生した場合は、燃焼指標算出部５５は、プレイグニッションの発生角度（燃焼開始角度θｃｎｖｓｔ）よりも所定角度だけ進角側の角度を、開始クランク角度θｓｔとして算出する。

ΔＴｇａｓ＿ｂｒｎに対応するαｄ－（Ｔｃｒｋ＿ｍｏｔ－Ｔｌｏａｄ）／Ｉｃｒｋが、０よりも大きくなり始めた角度が、燃焼開始角度であると判定できる。よって、燃焼指標算出部５５は、αｄ－（Ｔｃｒｋ＿ｍｏｔ－Ｔｌｏａｄ）／Ｉｃｒｋが判定値よりも大きくなった角度を、燃焼開始角度θｃｎｖｓｔと判定してもよい。

燃焼指標算出部５５は、積算クランク角度区間の終了クランク角度θｅｎｄを、燃焼終了角度θｃｎｖｅｎｄに基づいて設定する。例えば、燃焼により気筒内のガス圧が上昇する角度区間は、排気弁の開弁時期までであるので、終了クランク角度θｅｎｄは、開弁角度に設定されるとよい。排気弁の可変バルブタイミング機構が設けられる場合は、終了クランク角度θｅｎｄは、可変バルブタイミング機構により設定された排気弁の開弁角度に対応して設定されてもよい。或いは、燃焼状態を判定する上で、燃焼が進行している燃焼期間の前半が重要であるので、終了クランク角度θｅｎｄは、排気弁の開弁時期よりも前に設定されてもよい。

このように、積算クランク角度区間を、燃焼期間に対応して設定することにより、演算負荷を最小限に抑制しつつ、図示平均有効圧ＩＭＥＰの相当値を精度よく算出することができる。

１－２－６．燃焼制御部５６
＜燃焼状態指標を用いる場合＞
燃焼制御部５６は、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘに基づいて、点火時期、ＥＧＲ量、燃料噴射量、及び可変バルブタイミング機構の制御量の１つ以上の制御パラメータを変化させる。

可変バルブタイミング機構の制御量は、排気弁の可変バルブタイミング機構を制御する場合は排気バルブの開閉タイミングになり、吸気弁の可変バルブタイミング機構を制御する場合は吸気バルブの開閉タイミングになる。燃焼状態指標αｉｎｄｅｘは、図示平均有効圧ＩＭＥＰの相当値であるので、図示平均有効圧ＩＭＥＰを用いた公知の各種の燃焼制御を用いることができる。

例えば、燃焼制御部５６は、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘが増加するように、１燃焼サイクル毎に、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘに基づいて制御パラメータを変化させる。前回の燃焼サイクルで算出された燃焼状態指標αｉｎｄｅｘよりも今回の燃焼サイクルで算出された燃焼状態指標αｉｎｄｅｘが増加した場合は、燃焼制御部５６は、前回の燃焼サイクルの燃焼状態指標αｉｎｄｅｘに基づいて変化された制御パラメータの変化方向と同じ方向に、制御パラメータを変化させる。一方、前回の燃焼サイクルで算出された燃焼状態指標αｉｎｄｅｘよりも今回の燃焼サイクルで算出された燃焼状態指標αｉｎｄｅｘが減少した場合は、燃焼制御部５６は、前回の燃焼サイクルの燃焼状態指標αｉｎｄｅｘに基づいて変化された制御パラメータの変化方向と反対方向に、制御パラメータを変化させる。このように制御することで、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘが最大値に近づき、図示平均有効圧ＩＭＥＰが最大値に近づくように、制御パラメータを変化させ、燃費、出力を向上させることができる。なお、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘの増減は、同じ気筒については評価されてもよいし、全ての気筒についてまとめて評価されてもよい。

＜燃焼状態指標のばらつき度合いを用いる場合＞
或いは、燃焼制御部５６は、複数の燃焼サイクルの積算クランク角度区間において算出された複数の燃焼状態指標αｉｎｄｅｘのばらつき度合いを算出し、ばらつき度合いに基づいて、点火時期、ＥＧＲ量、燃料噴射量、及び可変バルブタイミング機構の制御量の１つ以上の制御パラメータを変化させてもよい。

例えば、燃焼制御部５６は、複数の燃焼サイクル毎に、ばらつき度合いが判定値以下になるように、制御パラメータを変化させる。燃焼制御部５６は、今回算出されたばらつき度合いが判定値よりも大きくなった場合は、ばらつき度合いが減少する方向に、制御パラメータを変化させる。ばらつき度合いが減少する方向は、各制御パラメータについて予め設定されている。このように制御することで、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘのばらつき度合いが判定値以下になり、図示平均有効圧ＩＭＥＰのばらつき度合いが低下するように、制御パラメータを変化させ、燃焼状態を安定化させることができる。なお、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘのばらつき度合いは、同じ気筒については評価されてもよいし、全ての気筒についてまとめて評価されてもよい。

例えば、燃焼制御部５６は、複数の燃焼状態指標αｉｎｄｅｘのばらつき度合いとして、複数の燃焼サイクルの燃焼状態指標αｉｎｄｅｘの標準偏差σを、複数の燃焼状態指標αｉｎｄｅｘの平均値で除算して燃焼変動率を算出する。燃焼変動率は、図示平均有効圧の燃焼変動率ＣＯＶに相当する。よって、図示平均有効圧の燃焼変動率ＣＯＶを用いた公知の各種の燃焼制御を用いることができる。

なお、燃焼制御部５６は、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘに基づく制御パラメータの変化と、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘのばらつき度合いに基づく制御パラメータの変化とを、平行して実行してもよい。この場合は、燃焼制御部５６は、ばらつき度合いが判定値よりも大きい場合は、ばらつき度合いに基づく制御パラメータの変化を実行し、ばらつき度合いが判定値以下である場合は、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘに基づく制御パラメータの変化を実行する。

＜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９に示すフローチャートに基づいて説明する。図９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、上死点近傍のクランク角度θｄ＿ｔｄｃを含む各クランク角度θｄにおいて、クランク角加速度αｄの検出値、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、未燃焼軸トルク算出部５３は、各クランク角度θｄにおいて、現在の運転状態において未燃焼状態であると仮定した場合の未燃焼時の軸トルクＴｃｒｋ＿ｍｏｔを算出する未燃焼軸トルク算出処理（未燃焼軸トルク算出ステップ）を実行する。

ステップＳ０５で、上述したように、外部負荷トルク算出部５４は、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度θｄ＿ｔｄｃ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の実軸トルクＴｃｒｋｄ＿ｂｒｎ＿ｔｄｃ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Ｔｌｏａｄを算出する外部負荷トルク算出処理（外部負荷トルク算出ステップ）を実行する。

ステップＳ０６で、上述したように、燃焼指標算出部５５は、燃焼期間に対応して設定された積算クランク角度区間において、各クランク角度θｄ（ｎ）の未燃焼時の軸トルクＴｃｒｋ＿ｍｏｔ（ｎ）から外部負荷トルクＴｌｏａｄを減算した値を慣性モーメントＩｃｒｋで除算した値を、各クランク角度θｄ（ｎ）のクランク角加速度αｄ（ｎ）から減算した値を、積算して燃焼状態指標αｉｎｄｅｘを算出する燃焼指標算出処理（燃焼指標算出ステップ）を実行する。

ステップＳ０７で、上述したように、燃焼制御部５６は、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘに基づいて、点火時期、ＥＧＲ量、燃料噴射量、及び可変バルブタイミング機構の制御量の１つ以上の制御パラメータ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。なお、燃焼制御部５６は、複数の燃焼サイクルの積算クランク角度区間において算出された複数の燃焼状態指標αｉｎｄｅｘのばらつき度合いを算出し、ばらつき度合いに基づいて、点火時期、ＥＧＲ量、燃料噴射量、及び可変バルブタイミング機構の制御量の１つ以上の制御パラメータを変化させてもよい。

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、未燃焼軸トルク算出部５３は、内燃機関の未燃焼状態であり、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、未燃焼時軸トルク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。

２．実施の形態２
実施の形態２に係る制御装置５０について図面を参照して説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る制御装置５０の基本的な構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態では、図１０に示すように、制御装置５０は、未燃焼軸トルク算出部５３及び外部負荷トルク算出部５４の代わりに未燃焼加速度算出部５７及び外部負荷加速度算出部５８を備えており、実軸トルク演算部５２を備えていない。

２－１．未燃焼加速度算出部５７
未燃焼加速度算出部５７は、各クランク角度において、現在の運転状態において未燃焼状態であると仮定した場合の未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔを算出する。

本実施の形態では、未燃焼加速度算出部５７は、クランク角度θｄと未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔとの関係が設定された未燃焼時加速度データを参照し、各クランク角度に対応する未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔを算出する。

未燃焼時加速度データは、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。未燃焼時加速度データには、後述するように、未燃焼時に検出されたクランク角加速度αｄに基づいて更新されたものが用いられてもよい。

未燃焼時加速度データは、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。未燃焼加速度算出部５７は、現在の運転状態に対応する未燃焼時加速度データを参照し、各クランク角度θｄに対応する未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔを算出する。

本実施の形態では、未燃焼時加速度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。未燃焼時加速度データの設定は、未燃焼時軸トルクデータの設定と同様であるので説明を省略する。

未燃焼加速度算出部５７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クランク角加速度αｄにより、未燃焼時加速度データを更新する。例えば、未燃焼加速度算出部５７は、記憶装置９１に記憶されている未燃焼時加速度データを参照し、更新対象のクランク角度θｄに対応する未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔを読み出し、読み出した未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔが、更新対象のクランク角度θｄで演算された未燃焼時のクランク角加速度αｄに近づくように、記憶装置９１に記憶されている未燃焼時加速度データに設定されている更新対象のクランク角度θｄの未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔを変化させる。

＜筒内吸入気体量の状態のずれの補償＞
未燃焼軸トルク算出部５３と同様に、未燃焼加速度算出部５７は、各クランク角度θｄにおいて、クランク機構の物理モデル式を用い、参照する未燃焼時加速度データに対応する特定の筒内吸入気体量の状態であり、且つ、未燃焼状態であると仮定した場合における、気筒内のガス圧及びピストンの往復運動により生じるトルクである未燃焼仮定の発生トルクを算出する。ここで、特定の筒内吸入気体量の状態には、参照された未燃焼時加速度データの測定時の運転状態が用いられる。

未燃焼加速度算出部５７は、各クランク角度θｄにおいて、気筒内のガス圧により生じるガス圧トルクを算出する物理モデル式を用い、特定の筒内吸入気体量の状態に基づいて、未燃焼状態であると仮定した場合の気筒内のガス圧により生じるガス圧トルクを算出する。

そして、未燃焼加速度算出部５７は、各クランク角度θｄにおいて、ガス圧トルクと慣性トルクとを合計して、特定の筒内吸入気体量の状態における未燃焼仮定の発生トルクを算出し、未燃焼仮定の発生トルクをクランク軸系の慣性モーメントＩｃｒｋで除算して、特定の筒内吸入気体量の状態の未燃焼仮定のクランク角加速度を算出する。

一方、未燃焼加速度算出部５７は、各クランク角度θｄにおいて、クランク機構の物理モデル式を用い、現在の筒内吸入気体量の状態において未燃焼であると仮定した場合における、気筒内のガス圧及びピストンの往復運動により生じるトルクである、現在の筒内吸入気体量の状態における未燃焼仮定の発生トルクを算出する。

未燃焼加速度算出部５７は、各クランク角度θｄにおいて、気筒内のガス圧により生じるガス圧トルクを算出する物理モデル式を用い、現在の筒内吸入気体量の状態に基づいて、内燃機関が未燃焼状態であると仮定した場合の気筒内のガス圧により生じるガス圧トルクを算出する。

そして、未燃焼加速度算出部５７は、各クランク角度θｄにおいて、ガス圧トルクと慣性トルクとを合計して、現在の筒内吸入気体量の状態の未燃焼仮定の発生トルクを算出し、未燃焼仮定の発生トルクをクランク軸系の慣性モーメントＩｃｒｋで除算して、現在の筒内吸入気体量の状態の未燃焼仮定のクランク角加速度を算出する。

未燃焼加速度算出部５７は、各クランク角度θｄにおいて、未燃焼時加速度データを参照して算出した未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔから特定の筒内吸入気体量の状態の未燃焼仮定のクランク角加速度を減算したクランク角加速度差を、現在の筒内吸入気体量の状態の未燃焼仮定のクランク角加速度に加算して、最終的な未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔを算出する。

２－２．外部負荷加速度算出部５８
外部負荷加速度算出部５８は、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度θｄ＿ｔｄｃの未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔ＿ｔｄｃと、上死点近傍のクランク角度θｄ＿ｔｄｃのクランク角加速度αｄ＿ｔｄｃとに基づいて、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Ｔｌｏａｄによるクランク角加速度成分である外部負荷加速度成分Δαｌｏａｄを算出する。

次式は、式（９）をクランク軸系の慣性モーメントＩｃｒｋで除算した式に相当する。外部負荷加速度算出部５８は、次式に示すように、上死点近傍の未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔ＿ｔｄｃから、上死点近傍のクランク角加速度αｄ＿ｔｄｃを減算して、外部負荷加速度成分Δαｌｏａｄを算出する。

２－３．燃焼指標算出部５５
次式は、式（１０）と数学的に等価である。燃焼指標算出部５５は、次式に示すように、燃焼期間に対応して設定された積算クランク角度区間において、各クランク角度θｄ（ｎ）のクランク角加速度αｄ（ｎ）から、各クランク角度θｄ（ｎ）の未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔ（ｎ）を減算し、外部負荷加速度成分Δαｌｏａｄを加算した値を、積算して燃焼状態指標αｉｎｄｅｘを算出する。ここで、ｎｓｔは、積算クランク角度区間の開始クランク角度θｓｔに対応する角度識別番号ｎであり、ｎｅｎｄは、積算クランク角度区間の終了クランク角度θｅｎｄに対応する角度識別番号ｎである。

実施の形態１で説明したように、式（１４）は、式（１１）と数学的に等価であるので、式（１４）の代わりに式（１１）が用いられてもよい。

実施の形態１で説明したように、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘにより、図示平均有効圧ＩＭＥＰの相当値を算出することができ、燃焼状態を評価できる。

実施の形態１と同様に、燃焼指標算出部５５は、積算クランク角度区間の開始クランク角度θｓｔを、燃焼開始角度θｃｎｖｓｔに基づいて設定する。燃焼開始角度θｃｎｖｓｔは、基本的に、点火時期の直後になる。よって、燃焼指標算出部５５は、少なくとも点火時期に基づいて、燃焼開始角度θｃｎｖｓｔを算出し、燃焼開始角度θｃｎｖｓｔよりも所定角度だけ進角側の角度を、開始クランク角度θｓｔとして算出する。なお、燃焼開始角度θｃｎｖｓｔの算出に、回転速度、筒内吸入気体量、及びＥＧＲ量等の他の内燃機関の運転状態が用いられてもよい。プレイグニッションの発生時は、点火時期よりも前に、燃焼が開始する。よって、プレイグニッションが発生した場合は、燃焼指標算出部５５は、プレイグニッションの発生角度（燃焼開始角度θｃｎｖｓｔ）よりも所定角度だけ進角側の角度を、開始クランク角度θｓｔとして算出する。

ΔＴｇａｓ＿ｂｒｎに対応する（αｄ－α＿ｍｏｔ＋Δαｌｏａｄ）が、０よりも大きくなり始めた角度が、燃焼開始角度であると判定できる。よって、燃焼指標算出部５５は、（αｄ－α＿ｍｏｔ＋Δαｌｏａｄ）が判定値よりも大きくなった角度を、燃焼開始角度θｃｎｖｓｔと判定してもよい。

燃焼指標算出部５５は、積算クランク角度区間の終了クランク角度θｅｎｄを、燃焼終了角度θｃｎｖｅｎｄに基づいて設定する。例えば、燃焼により気筒内のガス圧が上昇する角度区間は、排気弁の開弁時期までであるので、終了クランク角度θｅｎｄは、開弁角度に設定されるとよい。排気弁の可変バルブタイミング機構が設けられる場合は、終了クランク角度θｅｎｄは、可変バルブタイミング機構により設定された排気弁の開弁角度に対応して設定されてもよい。或いは、燃焼状態を判定する上で、燃焼が進行している燃焼期間の前半が重要であるので、終了クランク角度θｅｎｄは、排気弁の開弁時期よりも前に設定されてもよい。

このように、積算クランク角度区間を、燃焼期間に対応して設定することにより、演算負荷を最小限に抑制しつつ、図示平均有効圧ＩＭＥＰの相当値を精度よく算出することができる。

＜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１１に示すフローチャートに基づいて説明する。図１１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Ｓ１１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Ｓ１２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Ｓ１３に進み、未燃焼状態である場合は、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１３、上述したように、未燃焼加速度算出部５７は、各クランク角度において、現在の運転状態において未燃焼状態であると仮定した場合の未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔを算出する未燃焼加速度算出処理（未燃焼加速度算出ステップ）を実行する。

ステップＳ１４で、上述したように、外部負荷加速度算出部５８は、燃焼行程の上死点近傍のクランク角度θｄ＿ｔｄｃの未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔ＿ｔｄｃと、上死点近傍のクランク角度θｄ＿ｔｄｃのクランク角加速度αｄ＿ｔｄｃとに基づいて、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Ｔｌｏａｄによるクランク角加速度成分である外部負荷加速度成分Δαｌｏａｄを算出する外部負荷加速度算出処理（外部負荷加速度算出ステップ）を実行する。

ステップＳ１５で、上述したように、燃焼指標算出部５５は、燃焼期間に対応して設定された積算クランク角度区間において、各クランク角度θｄ（ｎ）のクランク角加速度αｄ（ｎ）から、各クランク角度θｄ（ｎ）の未燃焼時のクランク角加速度α＿ｍｏｔ（ｎ）を減算し、外部負荷加速度成分Δαｌｏａｄを加算した値を、積算して燃焼状態指標αｉｎｄｅｘを算出する燃焼指標算出処理（燃焼指標算出ステップ）を実行する。

ステップＳ１６で、上述したように、燃焼制御部５６は、燃焼状態指標αｉｎｄｅｘに基づいて、点火時期、ＥＧＲ量、燃料噴射量、及び可変バルブタイミング機構の制御量の１つ以上の制御パラメータ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。なお、燃焼制御部５６は、複数の燃焼サイクルの積算クランク角度区間において算出された複数の燃焼状態指標αｉｎｄｅｘのばらつき度合いを算出し、ばらつき度合いに基づいて、点火時期、ＥＧＲ量、燃料噴射量、及び可変バルブタイミング機構の制御量の１つ以上の制御パラメータを変化させてもよい。

一方、内燃機関の未燃焼状態である場合は、ステップＳ１７で、上述したように、未燃焼加速度算出部５７は、内燃機関の未燃焼状態であり、各クランク角度θｄにおいて演算されたクランク角加速度αｄにより、未燃焼時加速度データを更新する未燃焼時角加速度学習処理（未燃焼時角加速度学習ステップ）を実行する。

＜転用例＞
（１）上記の各実施の形態においては、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）上記の各実施の形態においては、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。

（３）上記の各実施の形態においては、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。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の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、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 内燃機関、２ クランク軸、６ 第２クランク角センサ、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 未燃焼軸トルク算出部、５４ 外部負荷トルク算出部、５５ 燃焼指標算出部、５６ 燃焼制御部、５７ 未燃焼加速度算出部、５８ 外部負荷加速度算出部、Ｉｃｒｋ 慣性モーメント、Ｔｃｒｋ＿ｍｏｔ 未燃焼時の軸トルク、Ｔｃｒｋｄ 実軸トルク、Ｔｌｏａｄ 外部負荷トルク、αｄ クランク角加速度、α＿ｍｏｔ 未燃焼時のクランク角加速度、Δαｌｏａｄ 外部負荷加速度成分、αｉｎｄｅｘ 燃焼状態指標、θｃｎｖｅｎｄ 燃焼終了角度、θｃｎｖｓｔ 燃焼開始角度、θｄ クランク角度、θｅｎｄ 終了クランク角度、θｓｔ 開始クランク角度

Claims (8)

1. 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、
   各クランク角度において、未燃焼状態であると仮定した場合の未燃焼時の軸トルクを算出する未燃焼軸トルク算出部と、
   燃焼行程の上死点近傍のクランク角度の前記未燃焼時の軸トルクと、前記上死点近傍のクランク角度の前記クランク角加速度にクランク軸系の慣性モーメントを乗算した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する外部負荷トルク算出部と、
   燃焼期間に対応して設定された積算クランク角度区間において、各クランク角度の前記未燃焼時の軸トルクから前記外部負荷トルクを減算した値を前記慣性モーメントで除算した値を、各クランク角度の前記クランク角加速度から減算した値を、積算して燃焼状態指標を算出する燃焼指標算出部と、
   を備えた内燃機関の制御装置。
2. 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、
   各クランク角度において、未燃焼状態であると仮定した場合の未燃焼時のクランク角加速度を算出する未燃焼加速度算出部と、
   燃焼行程の上死点近傍のクランク角度の前記未燃焼時のクランク角加速度と、前記上死点近傍のクランク角度の前記クランク角加速度とに基づいて、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によるクランク角加速度成分である外部負荷加速度成分を算出する外部負荷加速度算出部と、
   燃焼期間に対応して設定された積算クランク角度区間において、各クランク角度の前記クランク角加速度から、各クランク角度の前記未燃焼時のクランク角加速度を減算し、前記外部負荷加速度成分を加算した値を積算して燃焼状態指標を算出する燃焼指標算出部と、
   を備えた内燃機関の制御装置。
3. 前記燃焼指標算出部は、前記積算クランク角度区間の開始クランク角度を、燃焼開始角度に基づいて設定する請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記燃焼指標算出部は、前記積算クランク角度区間の終了クランク角度を、燃焼終了角度に基づいて設定する請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記燃焼状態指標に基づいて、点火時期、ＥＧＲ量、燃料噴射量、及び可変バルブタイミング機構の制御量の１つ以上の制御パラメータを変化させる燃焼制御部を備えた請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 複数の燃焼サイクルの前記積算クランク角度区間において算出された複数の前記燃焼状態指標のばらつき度合いを算出し、前記ばらつき度合いに基づいて、点火時期、ＥＧＲ量、燃料噴射量、及び可変バルブタイミング機構の制御量の１つ以上の制御パラメータを変化させる燃焼制御部と、を備えた請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記未燃焼軸トルク算出部は、クランク角度と前記未燃焼時の軸トルクとの関係が設定された未燃焼時軸トルクデータを参照し、各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する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記未燃焼加速度算出部は、クランク角度と前記未燃焼時のクランク角加速度との関係が設定された未燃焼時加速度データを参照し、各クランク角度に対応する前記未燃焼時のクランク角加速度を算出する請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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