JP4784488B2

JP4784488B2 - 内燃機関の燃料性状検出装置、燃料性状検出方法。

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Publication number: JP4784488B2
Application number: JP2006306791A
Authority: JP
Inventors: 純一森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-13
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2026-11-13
Also published as: JP2008121576A

Description

本発明は、内燃機関の燃料性状を検出する燃料性状検出装置に関する。

最近、エンジンにより高い燃料経済性、運転性が要求される傾向があり、かかる観点からマイクロコンピュータ等を利用して燃料供給量をより精密に制御することが行われる。このような制御では、内燃機関の使用燃料の性状、即ち、燃料性状も入力情報として重要な位置を占めることがある。

特許文献１に記載の技術では、燃焼圧力の検出値から燃焼速度を算出し、燃料性状を判別している。特許文献２に記載の技術では、過渡運転状態における燃焼状態パラメータの応答速度により燃料性状を判別している。

特公平７−５００９８号公報特公平７−１１９６６７号公報

しかしながら、上記に記載の技術では、燃焼状態パラメータの応答速度により燃料性状を検出するため、過渡走行時にしか検出できない。そのため、例えば、ハイウェイ走行時などの定常走行時においては、燃料消費量が多いにもかかわらず燃料性状検出モードに入らないため、予測している燃料性状と実際の燃料性状が異なる可能性が高くなる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、過渡走行時だけでなく、定常走行時も燃料性状の検出が可能となる内燃機関の燃料性状検出装置を提供する。

本発明の１つの観点では、内燃機関の燃料性状検出装置は、内燃機関の筒内圧履歴を算出する筒内圧履歴算出手段と、内燃機関の筒内体積履歴を算出する筒内体積履歴算出手段と、前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する燃焼速度履歴算出手段と、前記燃焼速度履歴算出手段が算出した前記燃焼速度履歴に基づいて、燃焼開始から燃焼速度履歴が始めて上昇し始めるタイミングにおける前記燃焼速度履歴の値を層流燃焼速度として算出する層流燃焼速度算出手段と、予め求めた複数の燃料種と層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記層流燃焼速度算出手段が算出した前記層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する燃料性状算出手段と、を備える。

上記の内燃機関の燃料性状検出装置は、筒内圧履歴算出手段と、筒内体積履歴算出手段と、燃焼速度履歴算出手段と、層流燃焼速度算出手段と、燃料性状算出手段と、を備える。前記筒内圧履歴算出手段は、例えば、筒内圧センサを用いて、又は、計算により筒内圧履歴を算出する。前記筒内体積履歴算出手段は、具体的には、クランク角履歴、及び、筒内体積波形を基に筒内体積履歴を算出する。前記燃焼速度履歴算出手段は、前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する。前記層流燃焼速度算出手段は、前記燃焼速度履歴を基に層流燃焼速度を算出する。具体的には、層流燃焼速度算出手段は、燃焼速度履歴算出手段が算出した燃焼速度履歴に基づいて、燃焼開始から燃焼速度履歴が始めて上昇し始めるタイミングにおける燃焼速度履歴の値を、層流燃焼速度として算出する。前記燃料性状算出手段は、前記層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する。具体的には、燃料性状算出手段は、予め求めた複数の燃料種と層流燃焼速度との関係を示すマップを参照して、層流燃焼速度算出手段が算出した層流燃焼速度に対応する燃料性状を求める。このようにすることで、内燃機関の燃料性状検出装置は、過渡走行時だけでなく、定常走行時も燃料性状の検出が可能となる。

上記の内燃機関の燃料性状検出装置の他の一態様は、前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に層流燃焼時圧力を算出する層流燃焼時圧力算出手段と、前記層流燃焼時圧力と筒内ガス質量とを基に未燃ガス温度を算出する未燃ガス温度算出手段と、前記筒内ガス質量と新気ガス質量とを基に残留ガス割合を算出する残留ガス割合算出手段と、標準状態時におけるガス温度、筒内圧及び残留ガス割合と、前記層流燃焼速度算出手段が算出した前記層流燃焼速度と、前記層流燃焼時圧力算出手段が算出した前記層流燃焼時圧力と、前記未燃ガス温度算出手段が算出した前記未燃ガス温度と、前記残留ガス割合算出手段が算出した前記残留ガス割合と、を基に標準状態時における層流燃焼速度を求める標準状態時層流燃焼速度算出手段と、を更に備え、前記燃料性状算出手段は、前記標準状態時における層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する。このようにすることで、内燃機関の燃料性状検出装置は、運転状態が変化した場合であっても、燃料性状を検出することができる。

上記の内燃機関の燃料性状検出装置の他の一態様は、前記筒内圧履歴を基に空燃比を算出する空燃比算出手段と、を更に備え、前記燃料性状算出手段は、予め求めた、燃料混合比と空燃比と標準状態時における層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記標準状態時層流燃焼速度算出手段が求めた前記標準状態時における層流燃焼速度及び前記空燃比算出手段が算出した前記空燃比から燃料混合比を求めて、当該燃料混合比から燃料性状を算出する。このようにすることで、内燃機関の燃料性状検出装置は、空燃比の影響を考慮した燃料性状を検出することができる。

上記の内燃機関の燃料性状検出装置の他の一態様は、前記筒内圧履歴算出手段は、クランク角速度と、機械損失によるトルクと、慣性質量によるトルクと、クランクシャフトの慣性モーメントと、を基に筒内圧によるトルクを求め、当該筒内圧によるトルク及び筒内体積波形を基に前記筒内圧履歴を算出する。このようにすることで、内燃機関の燃料性状検出装置は、筒内圧センサを用いずに、筒内圧履歴を算出することができる。

本発明の他の観点では、内燃機関の燃料性状検出方法は、内燃機関の筒内圧履歴を算出する筒内圧履歴算出工程と、内燃機関の筒内体積履歴を算出する筒内体積履歴算出工程と、前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する燃焼速度履歴算出工程と、前記燃焼速度履歴算出工程が算出した前記燃焼速度履歴に基づいて、燃焼開始から燃焼速度履歴が始めて上昇し始めるタイミングにおける前記燃焼速度履歴の値を層流燃焼速度として算出する層流燃焼速度算出工程と、予め求めた複数の燃料種と層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記層流燃焼速度算出工程が算出した前記層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する燃焼性状算出工程と、を備える。この方法によっても、過渡走行時だけでなく、定常走行時も燃料性状の検出が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［全体構成］
まず、本発明の実施形態に係る内燃機関の構成について説明する。

図１は、各実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置が適用された内燃機関１の構成を示す概略図である。なお、図１では、実線矢印がガスの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。

内燃機関１は、主に、エアフロメータ２と、吸気通路３と、スロットルバルブ４と、燃料噴射弁５と、気筒（シリンダ）６ａと、吸気弁７と、排気弁８と、排気通路９と、点火プラグ１０と、筒内圧センサ１１と、クランク角センサ１２と、を有する。内燃機関１は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンとして構成される。なお、図１においては、説明の便宜上、１つの気筒６ａのみを示しているが、実際には内燃機関１は複数の気筒６ａを有する。

吸気通路３には外部から導入された空気（新気）が通過し、スロットルバルブ４は吸気通路３を通過する空気の流量を調整する。吸気通路３を通過した空気は、気筒６ａの燃焼室６ｂに供給される。また、燃焼室６ｂには、燃料噴射弁５によって噴射された燃料が供給される。燃焼室６ｂ内では、点火プラグ１０の点火により着火されることによって、供給された空気と燃料との混合気が燃焼される。この場合、燃焼によってピストン６ｃが往復運動し、この往復運動がコンロッド６ｄを介してクランク軸（不図示）に伝達され、クランク軸が回転する。また、内燃機関１には排気通路９が接続されており、燃焼によって
生じた排気は排気通路９から排出される。

更に、内燃機関１の燃焼室６ｂには、吸気弁７と排気弁８が設けられている。吸気弁７は、開閉することによって、吸気通路３と燃焼室６ｂとの導通／遮断を制御する。また、排気弁８は、開閉することによって、排気通路９と燃焼室６ｂとの導通／遮断を制御する。

エアフロメータ２は、吸気通路３を通過する新気の量（新気ガス質量）を検出するセンサである。筒内圧センサ１１は、気筒６ａ内の圧力（筒内圧）を検出するセンサである。例えば、筒内圧センサ１１は、点火プラグ１０の座金として装着されるリング状の圧電素子から構成され、点火プラグ１０の締め付け荷重に対する相対圧として筒内圧を検出する。また、筒内圧センサ１１は、複数の気筒６ａごとに設けられ、各気筒６ａの筒内圧を検出する。

クランク角センサ１２は、各気筒６ａに設けられ、各気筒６ａにおけるクランク角を検出する。具体的には、クランク角センサ１２は、単位クランク角毎の他に角度信号と、所定ピストン位置毎の基準角度信号とを、それぞれ出力する。

演算処理部２０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェースなどを含んで構成されている。演算処理部２０は、前述した各種センサから検出信号を取得し、これに基づいて演算処理を行う。演算処理部２０は、例えばＥＣＵ（Engine Control Unit）などに組み込むことができる。以下に述べる各実施形態では、演算処理部２０は、前述した各種センサから取得された検出信号に基づいて、内燃機関１における燃料性状を算出する。従って、演算処理部２０は、本発明に係る内燃機関の燃料性状検出装置として機能する。

[第１実施形態]
まず、本発明の第１実施形態について図２に示すフローチャートを用いて説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。なお、以下の説明において、ｔは時刻を示している。

演算処理部２０は、筒内圧センサ１１より供給された信号を基に筒内圧履歴Ｐ（ｔ）を取得する（ステップＳ１０１）。従って、演算処理部２０は、本発明における筒内圧履歴算出手段として機能する。

演算処理部２０は、クランク角センサ１２より供給された信号を基にクランク角履歴θ（ｔ）を取得する（ステップＳ１０２）。演算処理部２０は、設計値を基に筒内体積波形Ｖ（θ）を算出する（ステップＳ１０３）。演算処理部２０は、クランク角履歴θ（ｔ）と筒内体積波形Ｖ（θ）を基に筒内体積履歴Ｖ（ｔ）を算出する（ステップＳ１０４）。従って、演算処理部２０は、本発明における筒内体積履歴算出手段として機能する。

また、演算処理部２０は、複数の燃料種ｉについての層流燃焼速度Ｓ_ｌ（ｉ）を実験などで検出しておき、マップとして記録しておく（ステップＳ１０５）。燃料種ｉとは、例えば、ガソリンやエタノールなどの燃料の種類を示し、具体的には、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）の組成比によって決まる燃料の種類を示す。従って、燃料種ｉの種類の数は、例えば、燃料の分子式Ｃ_ｌＨ_ｍＯ_ｎ（ｌ、ｍ、ｎは整数）のｌ、ｍ、ｎの組み合わせ可能な数となる。

演算処理部２０は、筒内圧履歴Ｐ（ｔ）と筒内体積履歴Ｖ（ｔ）を基に、熱力学第１法則を用いて、熱発生率履歴ｄＱ（ｔ）／ｄｔを算出する（ステップＳ１０６）。具体的には、熱発生率履歴ｄＱ（ｔ）／ｄｔは以下の式（１）で表される。ここで、Ｒは気体定数を示し、Ｃｖは定積比熱を示す。

ステップＳ１０７において、演算処理部２０は、熱発生率履歴ｄＱ（ｔ）／ｄｔを基に１サイクル当たりの総熱発生量Ｑ_ｔを算出する。具体的には、１サイクル当たりの総熱発生量Ｑ_ｔは以下の式（２）で表される。

ステップＳ１０８において、演算処理部２０は、熱発生率履歴ｄＱ（ｔ）／ｄｔと１サイクル当たりの総熱発生量Ｑｔを基に、燃焼割合履歴ｘ_ｂ（ｔ）を算出する。具体的には、燃焼割合履歴ｘ_ｂ（ｔ）は以下の式（３）で表される。

ステップＳ１０９において、演算処理部２０は、筒内体積Ｖ（ｔ）と燃焼割合履歴ｘ_ｂ（ｔ）を基に、燃焼体積履歴Ｖ_ｂ（ｔ）を算出する。具体的には、燃焼体積履歴Ｖ_ｂ（ｔ）は以下の式（４）で表される。

ステップＳ１１０において、演算処理部２０は、燃焼体積履歴Ｖ_ｂ（ｔ）を基に既燃部半径履歴ｒ_ｂ（ｔ）を算出する。具体的には、既燃部半径履歴ｒ_ｂ（ｔ）は以下の式（５）で表される。なお、式（５）では、燃焼初期における既燃部半径履歴を求めることとしているため、既燃部の形状は球と仮定されている。

ステップＳ１１１において、演算処理部２０は、既燃部半径ｒ_ｂ（ｔ）を基に履歴燃焼速度履歴Ｓ_ｆ（ｔ）を算出する。具体的には、燃焼速度履歴Ｓ_ｆ（ｔ）は以下の式（６）で表される。従って、演算処理部２０は、本発明における燃焼速度履歴算出手段として機能する。

演算処理部２０は、燃焼速度履歴Ｓ_ｆ（ｔ）を基に層流燃焼終了時刻ｔ_ｌ,ｅを算出する（ステップＳ１１２）。具体的には、層流燃焼終了時刻ｔ_ｌ,ｅは以下の式（７）で表される。以下の式（７）は、Ｓ_ｆ（ｔ）の二回微分が０となるときの時刻ｔの最小値を層流燃焼終了時刻ｔ_ｌ,ｅとすることを表している。なお、ここで、ｔ_ｓａは燃焼開始時刻を示している。

図３は、燃焼速度履歴Ｓ_ｆ（ｔ）と時刻ｔの関係を示すグラフである。本発明では、燃焼開始から燃焼速度履歴Ｓ_ｆ（ｔ）が始めて上昇し始めるタイミングまでの期間を層流燃焼期間であると仮定している。そのため、式（７）に示すように、グラフ３０の変曲点、即ち、Ｓ_ｆ（ｔ）の二回微分が０となるときの時刻ｔの最小値ｔ_ｌ,ｅを層流燃焼終了時刻としている。

ステップＳ１１３において、演算処理部２０は、以下の式（８）に示すように、燃焼速度履歴Ｓ_ｆ（ｔ）に層流燃焼時刻たる時刻ｔ＝ｔ_ｌ,ｅを代入することで層流燃焼速度Ｓ_ｌを算出する。従って、演算処理部２０は、本発明における層流燃焼速度算出手段として機能する。

演算処理部２０は、ステップＳ１０５で算出したマップより、式（８）で算出された層流燃焼速度Ｓ_ｌの値に近い層流燃焼速度Ｓ_ｌ（ｉ）に対応する燃料種ｉを求めることで、内燃機関１の燃料性状を求める（ステップＳ１１４）。従って、演算処理部２０は、本発明における燃料性状算出手段として機能する。

以上に述べたように、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、内燃機関の筒内圧履歴を算出する筒内圧履歴算出手段と、内燃機関の筒内体積履歴を算出する筒内体積履歴算出手段と、当該筒内圧履歴と当該筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する燃焼速度履歴算出手段と、当該燃焼速度履歴を基に層流燃焼速度を算出する層流燃焼速度算出手段と、当該層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する燃料性状算出手段と、を備える。このようにすることで、内燃機関の燃料性状検出装置は、過渡走行時だけでなく、定常走行時も燃料性状の検出が可能となる。

[第２実施形態]
次に、本発明の第２実施形態について述べる。燃焼速度は、圧力、温度、残留ガス割合に対して依存性があるため、運転条件が変化すると層流燃焼速度Ｓ_ｌも変化してしまう。上述の第１実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、運転状態の変化に対応して燃料性状を検出するのは困難である。そこで、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、運転条件が変化した場合であっても、燃料性状を検出可能とすることを目的とする。図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。

図４に示すフローチャートにおいて、ステップＳ２０１〜Ｓ２０５に示す筒内圧履歴の取得から層流燃焼速度の算出までの演算処理部２０の動作は、第１実施形態の図２のフローチャートにおけるステップＳ１０１〜Ｓ１１３に示す演算処理部２０の動作と同様である。また、第２実施形態においても、演算処理部２０は、第１実施形態の図２のフローチャートにおけるステップＳ１０５における動作と同様に、複数の燃料種についての層流燃焼速度について算出しておき、マップとして記録しておく（ステップＳ２０６）。

ステップＳ２０７において、演算処理部２０は、以下の式（９）に示すように、層流燃焼終了時刻ｔ_ｌ,ｅを筒内圧履歴Ｐ（ｔ）に代入することで、層流燃焼時圧力Ｐ_ｌを算出する。従って、演算処理部２０は、層流燃焼時圧力算出手段としても機能する。

また、演算処理部２０は、筒内ガス質量Ｍを算出する（ステップＳ２０８）。筒内ガス質量Ｍは、例えば、ガス温度、筒内体積、筒内圧を夫々、Ｔ、Ｖ、Ｐとすると、状態方程式を用いて、Ｍ＝Ｐ・Ｖ／（Ｒ・Ｔ）と求められる。

演算処理部２０は、新気ガス質量Ｍ_ｎを算出すると共に（ステップＳ２０９）、残留ガス質量Ｍ_ｅを算出する（ステップＳ２１０）。具体的には、演算処理部２０は、エアフロメータ２より供給される信号を基に新気ガス質量Ｍ_ｎを算出する。また、演算処理部２０は、筒内ガス質量Ｍから新気ガス質量Ｍ_ｎを引くことで残留ガス質量Ｍ_ｅを算出する。

ステップＳ２１１において、演算処理部２０は、層流燃焼時圧力Ｐ_ｌと筒内ガス質量Ｍを基に、層流燃焼時における未燃ガス温度Ｔ_ｌ,ｕを算出する。従って、演算処理部２０は、本発明における未燃ガス温度算出手段として機能する。具体的には、層流燃焼時における未燃ガス温度Ｔ_ｌ,ｕは、状態方程式を用いて、以下の式（１０）で表される。ここで、式（１０）では、内燃機関１は点火直後であるとしているため、未燃ガス温度Ｔ_ｌ,ｕをガス温度Ｔ（ｔ）に等しいと仮定している。

ステップＳ２１２において、演算処理部２０は、筒内ガス質量Ｍ及び残留ガス質量Ｍ_ｅを基に、残留ガス割合ｒ_ｅを算出する。従って、演算処理部２０は、残留ガス割合算出手段として機能する。具体的には、残留ガス割合ｒ_ｅは以下の式（１１）で表される。

ステップＳ２１３において、演算処理部２０は、標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０を算出する。層流燃焼速度は、一般的には以下の式（１２ａ）で表される。ここで、式（１２ａ）におけるａ、ｂ、ｃ、ｄは、文献値等から与えられる値である。

従って、標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０は、標準状態時における、ガス温度、筒内圧、残留ガス割合を夫々、Ｔ_０、Ｐ_０、ｒ_ｅ,０とすると以下の式（１２）で表される。

演算処理部２０は、式（１２）を用いて、標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０を算出した後、ステップＳ２０６で算出したマップより、算出された標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０の値に近い層流燃焼速度Ｓ_ｌ（ｉ）に対応する燃料種ｉを求めることで、内燃機関１の燃料性状を求める（ステップＳ２１４）。従って、演算処理部２０は、本発明における標準状態時層流燃焼速度算出手段として機能する。

以上に述べたように、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、第１実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置に加えて、筒内圧履歴と筒内体積履歴とを基に層流燃焼時圧力を算出する層流燃焼時圧力算出手段と、層流燃焼時圧力と筒内ガス質量とを基に未燃ガス温度を算出する未燃ガス温度算出手段と、当該筒内ガス質量と新気ガス質量を基に残留ガス割合を算出する残留ガス割合算出手段と、当該層流燃焼速度と、当該層流燃焼時圧力と、当該未燃ガス温度と、当該残留ガス割合と、を基に標準状態時における層流燃焼速度を求める標準状態時層流燃焼速度算出手段と、を更に備え、燃料性状算出手段は、前記標準状態時における層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する。このようにすることで、第２実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、運転状態が変化しても燃料性状を検出することができる。

[第３実施形態]
次に、本発明の第３実施形態について述べる。燃焼速度は空燃比に対して依存性がある。また、燃料が徐変する場合には、燃焼速度も徐変する。そのため、上記の第２実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０を導出することは難しい。そこで、本発明の第３実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、空燃比の影響を考慮して燃料性状を検出することを目的とする。図５は、本発明の第３実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。

ステップＳ３０１〜Ｓ３０２に示す筒内圧履歴の取得から標準状態時における層流燃焼速度の算出までの演算処理部２０の動作は、第２実施形態に係る燃焼性状を算出する方法を示す図４のフローチャートにおけるステップＳ２０１〜Ｓ２１３に示す筒内圧履歴の取得から標準状態時における層流燃焼速度の算出までの演算処理部２０の動作と同様である。

演算処理部２０は、筒内圧に基づいて、内燃機関１内で燃焼が開始されてから当該燃焼が実質的に完了するまでの燃焼時間を算出し、当該燃焼時間を基に内燃機関１内における空燃比Ａ／Ｆを算出する（ステップＳ３０３）。従って、演算処理部２０は、本発明における空燃比算出手段として機能する。

演算処理部２０は、燃料混合比ｘと空燃比Ａ／Ｆとに対する標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０の値をマップとして予め求めておく。図６は、燃料混合比ｘと空燃比Ａ／Ｆとに対する標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０の値を示すグラフである。ここで、燃料が燃料Ａと燃料Ｂとがｘ１：ｘ２の割合で混合したものである場合には、燃料Ａ：燃料Ｂ＝ｘ１：ｘ２＝ｘ１：１−ｘ１と表すことができる。従って、燃料混合比ｘ＝（ｘ１、ｘ２）＝（ｘ１、１−ｘ１）と表すことができるので、燃料混合比ｘの要素数は１となる。この場合には、図６のグラフ３１に示すように、３次元マップとなる。なお、燃料が、燃料Ａと燃料Ｂと燃料Ｃとがｘ１：ｘ２：ｘ３の割合で混合したものである場合には、燃料Ａ：燃料Ｂ：燃料Ｃ＝ｘ１：ｘ２：１−ｘ１−ｘ２と表すことができる。従って、この場合には、燃料混合比ｘの要素数は２となるので、この場合には、燃料混合比ｘと空燃比Ａ／Ｆとに対する標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０を示すグラフは、４次元マップとなる。

ステップＳ３０４において、演算処理部２０は、標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０と空燃比Ａ／Ｆとに対応する燃料混合比ｘを、図６に示したマップより求めることで、内燃機関１における燃料性状を求める（ステップＳ３０４）。

以上に述べたように、本発明の第３実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、第２実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置に加えて、筒内圧履歴を基に空燃比を算出する空燃比算出手段と、を更に備え、燃料性状算出手段は、標準状態時における層流燃焼速度と前記空燃比とを基に燃料性状を算出する。このようにすることで、第３実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、空燃比の影響を考慮した燃料性状を検出することができる。また、上述したように、燃料混合比の要素数に応じた次元のマップを用いることで、複数の燃料が混合している場合でも、燃料混合比を含めた燃料性状を検出することができる。

[第４実施形態]
上述の各実施形態では、筒内圧センサ１１より筒内圧履歴Ｐ（ｔ）を取得している。しかし、筒内圧センサ１１を内燃機関１に設置することは、コスト面及び耐久面で問題が生じるため、筒内圧センサ１１を内燃機関１に設置しないで済ませるのが理想である。そこで、本発明の第４実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、筒内圧センサ１１を用いずに、筒内圧履歴Ｐ（ｔ）を算出することを目的とする。図７は、本発明の第４実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。また、図８（ａ）は、機械損失によるトルクＴ_ｆを示すグラフであり、図８（ｂ）は、慣性質量によるトルクＴ_ｍである。

演算処理部２０は、クランク角センサ１２よりクランク角履歴θ（ｔ）を取得した後（ステップＳ４０１）、クランク角履歴θ（ｔ）を基にクランク角速度ω（ｔ）を算出する（ステップＳ４０２）。具体的には、クランク角速度ω（ｔ）は以下の式（１３）で表される。

演算処理部２０は、エンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬを取得する（ステップＳ４０３）。演算処理部２０は、エンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬを基に、機械損失によるトルクＴ_ｆを算出すると共に（ステップＳ４０４）、慣性質量によるトルクＴ_ｍを算出する（ステップＳ４０５）。機械損失によるトルクＴ_ｆは、図８（ａ）のグラフ３２に示すようにエンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬに対するグラフとなっており、慣性質量によるトルクＴ_ｍは、図８（ｂ）のグラフ３３に示すようにエンジン回転数ＮＥに対するグラフとなっている。従って、演算処理部２０は、具体的には、予め、図８（ａ）、（ｂ）のグラフに示す関係を計算式又はマップとして保持しておき、当該計算式又は当該マップを基に、エンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬに対する機械損失によるトルクＴ_ｆの大きさ、及び、エンジン回転数ＮＥに対する慣性質量によるトルクＴ_ｍの大きさを算出する。

演算処理部２０は、設計値より、クランクシャフトの慣性モーメントＪを算出すると共に（ステップＳ４０６）、筒内体積波形Ｖ（θ）も算出する（ステップＳ４０７）。

ステップＳ４０８において、演算処理部２０は、クランク角速度ω（ｔ）、機械損失によるトルクＴ_ｆ、慣性質量によるトルクＴ_ｍ、クランクシャフトの慣性モーメントＪを基に、筒内圧によるトルクＴ_ｐ（ｔ）を算出する。具体的には、筒内圧によるトルクＴ_ｐ（ｔ）は以下の式（１４）で表される。

ステップＳ４０９において、演算処理部２０は、筒内圧によるトルクＴ_ｐ（ｔ）、筒内体積波形Ｖ(θ)を基に、筒内圧履歴Ｐ（ｔ）を算出する。具体的には、筒内圧履歴Ｐ（ｔ）は以下の式（１５）で表される。

なお、上記の式（１５）は、以下の様にして証明することができる。

まず、筒内圧によるトルクＴ_ｐ（ｔ）は、クランクに係る力Ｆ（ｔ）、クランク半径Ｒを用いて以下の式（１６）で表される。

また、クランクに係る力Ｆ（ｔ）がクランク角θの単位角ｄθ当たりになす仕事ｄＷ（ｔ）は以下の式（１７）で表される。

更に、仕事ｄＷ（ｔ）は、熱力学の第１法則より、筒内圧履歴Ｐ（ｔ）及び筒内体積波形Ｖ（θ）を用いて以下の式（１８）で表される。

上記の式（１６）〜（１８）より以下の式（１９）が導き出される。

上記の式（１９）より、上記の式（１５）が導き出される。

演算処理部２０は、筒内圧履歴Ｐ（ｔ）を基に、第３実施形態で述べたのと同様の方法を用いて、標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０、及び、空燃比Ａ／Ｆを算出した後、標準状態時における層流燃焼速度Ｓ_ｌ,０と空燃比Ａ／Ｆとに対応する燃料混合比ｘを、例えば、第３実施形態における図６に示したマップより求めることで、内燃機関１における燃料性状を求める（ステップＳ４１０）。なお、第１実施形態及び第２実施形態においても、上述の方法を用いることで、筒内圧履歴を算出することができるのは言うまでもない。

以上に述べたように、本発明の第４実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置では、筒内圧履歴算出手段は、クランク角速度と、機械損失によるトルクと、慣性質量によるトルクと、クランクシャフトの慣性モーメントと、を基に筒内圧履歴を算出する。このようにすることで、第４実施形態に係る内燃機関の燃料性状検出装置は、筒内圧センサを用いずに、筒内圧履歴を算出することができる。

本発明の各実施形態に係る燃料性状検出装置が適用された内燃機関の模式図である。第１実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。燃焼速度履歴と時刻の関係を示すグラフである。第２実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。第３実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。燃料混合比と空燃比とに対する標準状態時における層流燃焼速度の値を示すグラフ。第４実施形態に係る燃料性状を算出する方法を示すフローチャートである。機械損失によるトルク、及び、慣性質量によるトルクを示すグラフである。

符号の説明

１内燃機関
２エアフロメータ
３吸気通路
４スロットルバルブ
６ａ気筒
７吸気弁
８排気弁
９吸気通路
１１筒内圧センサ
１２クランク角センサ
２０演算処理部

Claims

内燃機関の筒内圧履歴を算出する筒内圧履歴算出手段と、
内燃機関の筒内体積履歴を算出する筒内体積履歴算出手段と、
前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する燃焼速度履歴算出手段と、
前記燃焼速度履歴算出手段が算出した前記燃焼速度履歴に基づいて、燃焼開始から燃焼速度履歴が始めて上昇し始めるタイミングにおける前記燃焼速度履歴の値を層流燃焼速度として算出する層流燃焼速度算出手段と、
予め求めた複数の燃料種と層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記層流燃焼速度算出手段が算出した前記層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する燃料性状算出手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の燃料性状検出装置。
前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に層流燃焼時圧力を算出する層流燃焼時圧力算出手段と、
前記層流燃焼時圧力と筒内ガス質量とを基に未燃ガス温度を算出する未燃ガス温度算出手段と、
前記筒内ガス質量と新気ガス質量とを基に残留ガス割合を算出する残留ガス割合算出手段と、
標準状態時におけるガス温度、筒内圧及び残留ガス割合と、前記層流燃焼速度算出手段が算出した前記層流燃焼速度と、前記層流燃焼時圧力算出手段が算出した前記層流燃焼時圧力と、前記未燃ガス温度算出手段が算出した前記未燃ガス温度と、前記残留ガス割合算出手段が算出した前記残留ガス割合と、を基に標準状態時における層流燃焼速度を求める標準状態時層流燃焼速度算出手段と、を更に備え、
前記燃料性状算出手段は、前記標準状態時における層流燃焼速度を基に燃料性状を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料性状検出装置。
前記筒内圧履歴を基に空燃比を算出する空燃比算出手段と、を更に備え、
前記燃料性状算出手段は、予め求めた、燃料混合比と空燃比と標準状態時における層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記標準状態時層流燃焼速度算出手段が求めた前記標準状態時における層流燃焼速度及び前記空燃比算出手段が算出した前記空燃比から燃料混合比を求めて、当該燃料混合比から燃料性状を算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃料性状検出装置。
前記筒内圧履歴算出手段は、クランク角速度と、機械損失によるトルクと、慣性質量によるトルクと、クランクシャフトの慣性モーメントと、を基に筒内圧によるトルクを求め、当該筒内圧によるトルク及び筒内体積波形を基に前記筒内圧履歴を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料性状検出装置。
内燃機関の筒内圧履歴を算出する筒内圧履歴算出工程と、
内燃機関の筒内体積履歴を算出する筒内体積履歴算出工程と、
前記筒内圧履歴と前記筒内体積履歴とを基に燃焼速度履歴を算出する燃焼速度履歴算出工程と、
前記燃焼速度履歴算出工程が算出した前記燃焼速度履歴に基づいて、燃焼開始から燃焼速度履歴が始めて上昇し始めるタイミングにおける前記燃焼速度履歴の値を層流燃焼速度として算出する層流燃焼速度算出工程と、
予め求めた複数の燃料種と層流燃焼速度との関係を示すマップに基づいて、前記層流燃焼速度算出工程が算出した前記層流燃焼速度を基に燃料性状を算出する燃焼性状算出工程と、を備えることを特徴とする内燃機関の燃料性状検出方法。