JP4474450B2 - 内燃機関の燃焼エネルギー算出装置 - Google Patents

Description

内燃機関のクランク軸の回転に基づいて気筒毎の燃焼エネルギーを推定する装置に関する。

機関クランク軸の回転角速度を検出し、該角速度の変化からトルク変動を推定するようにした内燃機関のトルク変動推定方法において、機関の運転状態が、クランク軸の固有振動による角速度の変化波形に比べて爆発１次の角速度の変化波形の方がトルクの変動を再現性よく顕著に表している第１の運転状態であるか、或いは爆発１次の角速度の変化波形に比べてクランク軸の固有振動による角速度の変化波形の方がトルクの変動を再現性よく顕著に表している第２の運転状態であるかを判断し、第１の運転状態であると判断されたときには、爆発行程開始時における角速度の最小値と爆発行程中における角速度の最大値との差からトルク変動を推定する、トルク変動推定方法が提案されている。

特開２００７−３２４３３号公報

従来技術では、爆発行程における角速度の変化からトルク変動を推定しているが、エンジンがクランク軸を回転させる１爆発あたりのエネルギーを正確に算出するためには、爆発行程において気筒内の圧力がする仕事と、圧縮行程において気筒内の圧力がされる仕事の両方を算出し、正味の仕事を算出する必要がある。

本発明の目的は、内燃機関の爆発エネルギーを正確に推定することにある。

クランク角が所定角度変化するのに要する時間からクランクの回転速度を算出する回転速度算出手段と、回転速度から回転加速度を算出する回転加速度算出手段と、回転速度の信号からエンジンの燃焼に同期した成分を抽出するフィルタと、回転加速度が極小値を取るときにフィルタ出力を出力するゲート手段とを備え、フィルタの長さが１エンジンサイクル／気筒数であることを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置により、各燃焼ごとの燃焼エネルギーが正確に算出される。

また、前記のフィルタの係数は、フィルタの中心に関して奇関数であることで、燃焼行程に気筒内の圧力がする仕事から圧縮行程に気筒内の圧力がされる仕事を減算した値が算出され、正味の燃焼エネルギーが算出できる。

内燃機関の各爆発毎の燃焼エネルギーを調べるには、各気筒に気筒内圧センサを装着し気筒内圧を算出するのがもっとも確実な方法であるが、本方式を使うことでクランク角センサのみで各爆発ごとの燃焼エネルギーが算出でき、低いコストで燃焼エネルギーを算出できるというメリットがある。

以下、本発明に係る実施例について説明する。

内燃機関は通常複数の気筒を含むが、図１はそのうちの１つの気筒に着目した図である。内燃機関では、ピストン２が２往復する間に、吸気，圧縮，爆発，排気の４つのサイクルを実行する。上死点９から下死点１０に向かってピストン２が下降するのに同期して吸気弁３が開くと、スロットル４で絞られた空気、インジェクタ５から噴かれた燃料の混合気が気筒１内に流入する。ピストン２が下死点１０に達すると、吸気弁３は閉じ、ピストン２は上昇する。気筒１内に閉じ込められた空気はピストン２によって圧縮される。ピストン２が上死点に達すると、点火プラグ６により気筒１内の混合気が着火され、爆発が始まる。爆発により発生したエネルギーはピストン２を押し下げ、ピストン２への圧力はクランク軸７に伝達され、クランク軸７を回転させるトルクとなる。

４つのサイクルにおける筒内圧Ｐｉとクランク軸７の回転速度ωの関係を図２に示す。図２の一番上の図は第１気筒の筒内圧を示すものである。吸気行程では筒内圧は吸気管圧とほぼ同じか、若干低い。圧縮行程では、ピストンが上死点に近づくにつれ圧力は大きくなる。爆発行程では、上死点付近で点火されると、圧力はさらに増大し、この筒内圧力がピストンを押し下げ体積が膨張し、圧力は徐々に低下し、大気圧に近づく。ピストンが下死点に達すると排気行程が開始され、排気弁が開き、気筒１内の排気ガスは排出される。このときの筒内圧は、大気圧とほぼ同じか、若干高い程度である。

この４つのサイクルにおける、燃焼室の体積と圧力の関係は図３のようになり、爆発エネルギーは図中の斜線で示される部分の面積で定義される。

気筒内の圧力がピストンを押す力は、リンク機構を通じてクランク軸を回転させるトルクＴに変換される。通常は内燃機関は複数の気筒をもつので、クランク軸を回転させるトルクは、図２の上から２番目の図（ｂ）の点線に示すような全ての気筒内の圧力の和にほぼ比例する。また、クランク軸の回転加速度はトルクに比例するので、クランク軸の回転加速度は図２の３番目の図（ｃ）のようになる。クランク軸の回転速度ωは回転加速度を積分したものなので、位相が１／４波長ずれて図２の一番下の図（ｄ）となる。

例えば４気筒のエンジンであれば、爆発は４つの気筒で発生しており、爆発の大きさは気筒内の圧力で評価できるため、各爆発毎の爆発エネルギーを求めるには４つの圧力センサが原理的に必要である。ところが、ここでは、クランク軸の回転速度という一つの物理量から４つの気筒での爆発エネルギーを求めようとしている。そのようなことが可能な理由は、クランク軸の回転速度をクランクの角度によって分割しているからである。

４気筒エンジンの４気筒分の筒内圧を重ねて書いたものが図２の２番目の図（ｂ）であるが、これをみると、爆発エネルギーに密接に関係する圧縮行程の後半から爆発行程の前半にかけてのおのおのの気筒内の圧力は、全気筒の圧力の合計とほぼ等しい。従って、クランク軸の回転速度を回転加速度の極小点で分割し（１サイクル分の回転速度の信号が気筒数に分割される）、その区間を最も圧力が高い気筒に対応付ければ、各爆発毎の爆発エネルギーを算出するためのセンサ情報が得られる。

本実施例は、このような考えに基づいて、内燃機関の各爆発毎の燃焼エネルギーを求める装置である。

本発明の一実施例に係る構成を図４に示す。

本発明は、クランク角θが所定角度Δθ変化するのに要する時間からクランク軸７の回転速度ωを算出する回転速度算出部４１と、回転速度ωの信号からエンジンの燃焼に同期した成分を抽出するフィルタ４３と、燃焼エネルギー算出の対象となる気筒の爆発行程のうちの、予め定められたクランク角θcombでフィルタ出力を出力するゲート部４４とからなり、フィルタ４３の長さは（θcomb−θcomp）／Δθである。ただし、θcompは圧縮行程のうちの予め定められたクランク角であり、θcomp，θcombは燃焼エネルギー算出の対象となる区間の始点と終点である。

以下、本実施例の動作を、図１２のフローチャートを用いて説明する。

内燃機関のクランク軸には、図５に示すような金属でできた円盤５１が取り付けられており、円盤の外周には等間隔で金属でできた歯５２が取り付けられている。クランク軸の回転は、磁気センサ５３によって計測される。クランク軸７の回転速度は、円盤５１と磁気センサ５２の距離に依存したアナログ信号から計算される。このアナログ信号が立上りで事前に設定された閾値を超えるとき、図６に示すようなパルスが発生する。ωが早いときはパルスの間隔は短く、ωが遅いときはパルスの間隔は長く、パルス間隔の粗密によってクランク軸７の回転速度は表される。

回転速度算出部４１では、上記パルスを受け取る度に、今回のパルスと前回のパルスとの時間間隔Δｔを計測し、歯の間隔ΔθをΔｔで割ることで回転速度ω＝Δθ／Δｔを算出する（ステップ１２０１）。

フィルタ４３には、Ｎ＝（θcomb−θcomp）／Δθ個の回転速度メモリと、同数のフィルタ係数メモリがある。回転速度メモリには、現在からＮパルス遡った時点までの回転速度が記憶される。メモリに記憶される回転速度は、ある気筒の圧縮行程後半と爆発行程前半に対応する。θcombとθcompは、区間［θcomp，θcomb］の回転速度ωをフィルタリングした結果と、圧力センサ等から算出した爆発エネルギーの相関が最も高くなるように予め定めておく。

フィルタ係数ｆ_０，ｆ_１，‥，ｆ_（Ｎ−１）は、図７に示すように、中心点に関して点対称、すなわち、奇関数にしてある。

フィルタを奇関数にする理由は、以下の通りである。
（１）直流成分を奇関数フィルタに入力すると出力は０。何故なら、奇関数の係数の平均は０だからである。
（２）爆発行程で筒内圧がピストンにする仕事から、圧縮過程で筒内圧がピストンからされる仕事をキャンセルして、筒内圧がクランク軸に及ぼす正味の仕事を求められる。なぜなら、圧縮に対する部分の係数の符号と、爆発に対するときの符号が反対だからである。

フィルタ係数には、図７の１番目（ａ）に示すような３角関数のものが考えられる。３角関数のフィルタだと、フィルタの感度は内燃機関の１サイクルを気筒数でわった長さで最大になる。そのほかに、図７の２番目（ｂ）のように中心より左側と右側で絶対値が同じで符号が反対の値をとるものでも良いし、図７の３番目（ｃ）に示すような真ん中の係数が０で、直線的に係数が減少するフィルタでも良い。図７の４番目（ｄ）のように、両端が絶対値が同じで符号が反対の係数で、他は全部０でも良い。

また、図８のように、奇関数でかつモーメントが０になるようなフィルタであれば、一定の割合で加減速しているような場合の影響もキャンセルできる（ステップ１２０２）。

クランク角が燃焼エネルギーを算出する区間の終点θcombにきたとき、フィルタ４３内の回転速度メモリに記憶されている回転速度は、燃焼区間を算出する区間［θcomp，θcomb］と一致する。そのため、ゲート手段では、クランク角がθcombに一致したときに（ステップ１２０３）、フィルタ出力が出力されるようにゲートをＯＰＥＮする（ステップ１２０４）。

フィルタの係数をうまく調整することによって、出力される値は内燃機関の各爆発毎の燃焼エネルギーを表す。

以上のような内燃機関の燃焼エネルギー算出装置によって、爆発行程において気筒内の圧力がする仕事から、圧縮行程において気筒内の圧力がされる仕事がキャンセルされ、筒内圧がクランク軸に及ぼす正味の仕事が算出できる。

実施例１では、燃焼エネルギーを求めるために、圧縮行程のある点と爆発行程のある点との間の回転速度ωをフィルタリングしたが、本実施例では、回転角速度αに着目して、フィルタリングする区間を定める。

図２に圧縮，爆発行程における、クランク軸の回転速度と回転角速度を示す。実施例１で示した、圧縮行程のある点から始まり、爆発行程のある点に終わる区間は、圧縮行程から爆発行程に変わる点、すなわち、角加速度が最大になる点を含む。また、回転加速度が最小になる点から次の最小になる点までを１つの爆発に対応すると考えると、ダブりもあきもなく、全てのクランク角がカバーされる。この区間を考えると、回転角速度の極小点から最大点までは回転角速度が増加し、次の極小点までは回転角速度が減少する。したがって、燃焼エネルギーの算出の対象となる区間は、回転角速度が最大となる点と、その点の前後の回転角速度が増加する区間と減少する区間を含む区間と考えられる。このような区間から燃焼エネルギーを算出する実施例の構成は、実施例１の構成と同じである。異なるのは、ゲートの開くタイミングと、フィルタの長さである。回転角速度が極大となる点の前に隣接する、回転角速度が増加する区間の予め定められた点θincと、後ろに隣接する、回転角速度が減少する区間の予め定められた点θdecを用いると、ゲートが開くタイミングはクランク角がθdecとなる点であり、フィルタの長さは、Ｎ＝（θdec−θinc）／Δθである。

以上のような内燃機関の燃焼エネルギー算出装置によって、爆発行程において気筒内の圧力がする仕事から、圧縮行程において気筒内の圧力がされる仕事がキャンセルされ、筒内圧がクランク軸に及ぼす正味の仕事が算出できる。

実施例２では、回転角速度αの増加・減少に着目してフィルタリング区間を定めたが、ここでは、回転角速度の極小値から次の極小値の回転速度をフィルタリングして爆発エネルギーを求める。

このような実施例の構成は、実施例１，２の構成と同じであり、異なるのは、ゲートの開くタイミングとフィルタの長さである。ゲートが開くタイミングは、クランク軸の回転角速度が極小となる点θminで、フィルタの長さは１サイクルを気筒数でわったものである。

以上のような内燃機関の燃焼エネルギー算出装置によって、爆発行程において気筒内の圧力がする仕事から、圧縮行程において気筒内の圧力がされる仕事がキャンセルされ、正味の仕事が算出できる。

実施例３では、予めクランク軸の回転角速度が極小となるクランク角θminを調べておき、この角度になったらゲートを開いていたが、予め調べなくても、角速度ωから角加速度αを算出し、αが極小になったときにゲートを開いてもよい。この実施例の構成を、図９に示す。本構成は、図４に示す実施例１の構成に、回転加速度算出部９２を加えたものである。本実施例では、回転速度算出部４１で算出されたクランク軸の回転速度を、フィルタ４３でフィルタリングする一方で、回転角速度算出部９２では、クランク軸の回転角速度αを算出する。この回転角速度αが最小になると、ゲート部４４はフィルタ４３の結果を出力する。フィルタの長さは実施例３と同じで、１サイクルを気筒数でわったものである。

以上のような内燃機関の燃焼エネルギー算出装置によって、爆発行程において気筒内の圧力がする仕事から、圧縮行程において気筒内の圧力がされる仕事がキャンセルされ、正味の仕事が算出できる。

実施例１で用いた図２は、クランク軸の回転加速度はトルクに比例することを表しているが、この比例係数はエンジンの慣性によって変わってくることが考えられる。オートマチックトランスミッションの場合は、エンジンとトルクコンバータより車輪側はトルクコンバータという流体機械によって隔てられているので、トルクコンバータより先の部分の慣性を考えなくてもよいが、マニュアルトランスミッションの場合は、車輪までが一つの剛体として結合されている。そのため、伝達機構のギア比によってエンジンから見た慣性は変化する。そこで、フィルタ係数をエンジンのギア比によって変える必要がある。このような構成を図１０に示す。ここでは、フィルタ４３の中にフィルタ係数１０１がギア比に対応して複数組あり、ギア比によってそのうちの一組を選択する選択部１０２があり、ギア比に応じたフィルタがクランク軸の回転速度に畳み込まれ、ギア比によるエンジンからみた慣性の違いを補正して、正しい燃焼エネルギーが算出できる。

吸気弁を駆動するカムの製造誤差等の要因によって、各気筒に吸入される空気量にばらつきが生じることがある。このようなばらつきを検出して、燃焼を各気筒ごとに制御することで、吸気量のばらつきを補正して、エンジンの燃焼エネルギーを平滑化したい。そのための燃焼エネルギーのばらつきを算出する実施例を示す。本実施例の構成を図１１に示す。本実施例は、実施例１から５で述べてきた燃焼エネルギー算出部１１１と、気筒判別部１１２と、振り分け部１１３と、気筒ごとに用意された平均手段１１４からなる。

気筒判別部１１２では、カム軸の角度から圧縮から燃焼行程にある気筒を識別する。振り分け部１１３では、燃焼エネルギー算出部１１１が算出する各爆発毎の燃焼エネルギーを、燃焼行程にある気筒に振り分ける。気筒ごとに振り分けられた燃焼エネルギーは、平均手段１１４によって平滑化され、燃焼エネルギーの気筒ばらつきが算出される。

本発明の実施例に係る，内燃機関の構成を示す図である。 気筒内圧とクランク軸の回転速度の関係を示す図である。 内燃機関における体積と圧力の関係を示す図である。 本発明の一実施例を示す図である。 本発明の一実施例におけるクランク角センサを説明する図である。 クランク角センサが出力するパルスである。 フィルタの係数の一例である。 フィルタの係数の一例である。 本発明の他の実施例を示す図である。 本発明の他の実施例を示す図である。 本発明を適用した気筒ばらつき算出手段の一実施例である。 本発明の一実施例の流れ図である。

符号の説明

４１ 回転速度算出部
４３ フィルタ
４４ ゲート部
９２ 回転加速度算出部
１０１ フィルタ係数
１０２ 選択部
１１１ 燃焼エネルギー算出部
１１２ 気筒判別部
１１３ 振り分け部
１１４ 平均手段

Claims (8)

1. クランク角が所定角度変化するのに要する時間からクランクの回転速度を算出する回転速度算出手段と、所定の区間の回転速度信号からエンジン燃焼に同期した成分を抽出するフィルタとを備えた内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、
   前記所定の区間が、燃焼エネルギー算出の対象となる気筒の圧縮行程に始まり、同じ気筒の爆発行程に終わることを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
2. クランク角が所定角度変化するのに要する時間からクランクの回転速度を算出する回転速度算出手段と、所定の区間の回転速度信号からエンジン燃焼に同期した成分を抽出するフィルタとを備えた内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、
   前記所定の区間が、回転加速度が極大となる点と、その前に隣接する回転加速度が増加する区間と、その後に隣接する回転加速度が減少する区間とを含むことを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
3. クランク角が所定角度変化するのに要する時間からクランクの回転速度を算出する回転速度算出手段と、回転速度から回転加速度を算出する回転加速度算出手段と、回転速度の信号からエンジンの燃焼に同期した成分を抽出するフィルタと、回転加速度が極小値を取るときにフィルタ出力を出力するゲート手段とを備え、
   フィルタの長さが１エンジンサイクル／気筒数であることを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
4. クランク角が所定角度変化するのに要する時間からクランクの回転速度を算出する回転速度算出手段と、予め定めた所定の区間の回転速度信号からエンジン燃焼に同期した成分を抽出するフィルタとを備えた内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、
   前記所定の区間が、クランク軸の回転加速度が極小値をとる角度に始まり、次の極小値を取る角度で終わることを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置のフィルタにおいて、
   フィルタの係数は中心に関して対称な奇関数であることを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置のフィルタにおいて、
   フィルタは内燃機関の１サイクルを気筒数でわった時間又は角度の長さで感度が最大となり、かつ奇関数であることを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置のフィルタにおいて、
   フィルタの係数はエンジンと車輪の間に介在するミッションの特性に応じて算出されることを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼エネルギー算出装置において、
   各燃焼毎に算出された燃焼エネルギーを気筒毎に平滑化して、内燃機関の気筒毎の燃焼エネルギーのばらつきを算出することを特徴とする内燃機関の燃焼エネルギー算出装置。

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