JP5099258B2 - 内燃機関のトルク推定装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関のトルク推定装置に関する。

従来、例えば、日本特開昭６４−３８６２４号公報に開示されているように、内燃機関のトルク変動と回転変動とから燃焼変動を検出する内燃機関の燃焼変動検出装置が提案されている。この装置では、より具体的には、一部の気筒に設置された筒内圧センサの出力信号に基づいて図示トルクが算出される。そして、過去の図示トルクの履歴から算出されたトルク平均値と当該図示トルクとの差をトルク変動として算出し、これを用いて燃焼変動を検出することとしている。

日本特開昭６４−３８６２４号公報 日本特開２００７−３２２９６号公報

しかしながら、上記従来の装置では、筒内圧センサの設けられた気筒の燃焼によるトルクを算出することはできるが、他の気筒のトルクを算出することはできない。つまり、上記従来の装置では、内燃機関の気筒毎のトルクの絶対値を算出することができず、改善が望まれていた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、複数気筒を有する内燃機関において、気筒毎のトルクを精度よく推定することのできる内燃機関のトルク推定装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、複数気筒を有する内燃機関のトルク推定装置であって、
複数気筒を有する内燃機関のトルク推定装置であって、
前記内燃機関の所定気筒（以下、第１の気筒）に設けられた筒内圧センサと、
前記筒内圧センサの検出信号に基づいて、前記第１の気筒の筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
前記第１の気筒の爆発に起因するクランク角加速度（以下、第１角加速度）を算出する第１の角加速度算出手段と、
前記第１の気筒の次に爆発する気筒（以下、第２の気筒）の爆発に起因するクランク角加速度（以下、第２角加速度）を算出する第２の角加速度算出手段と、
前記第１の気筒の筒内圧に基づいて、該第１の気筒の爆発に起因する実測図示トルクを算出する実測図示トルク算出手段と、
前記第２角加速度と前記第１角加速度との差分値と、前記第１の気筒の実測図示トルクと、を用いて、前記第２の気筒の爆発に起因する推定図示トルクを算出する推定図示トルク算出手段と、を備え、
前記推定図示トルク算出手段は、前記差分値に慣性モーメントを乗じた値と前記実測図示トルクとの和を、前記第２の気筒の爆発に起因する推定図示トルクとして算出することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
トルク推定の対象となる気筒（以下、対象気筒）の直前に燃焼した気筒（以下、前対象気筒）の推定図示トルクと、前記対象気筒の爆発に起因する角加速度と前記前対象気筒の爆発に起因する角加速度との差分値と、を用いて、前記対象気筒の推定図示トルクを算出する第２の推定図示トルク算出手段を更に備えることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記筒内圧センサを複数気筒に設ける場合に、該筒内圧センサを設けた気筒間の爆発気筒数が均等になるように設けることを特徴とする。

第１の発明によれば、クランク角加速度の変化とトルク変動とは相関を有している。このため、第２の気筒の角加速度（第２角加速度）と第１の気筒の角加速度（第１角加速度）との差分値は、第１の気筒のトルクからのトルク変動量と相関を有している。このため、本発明によれば、筒内圧センサによって実測された第１の気筒の筒内圧と、当該角加速度の差分値とに基づいて、筒内圧を実測していない第２の気筒の図示トルクを精度よく推定することができる。

また、第１の発明によれば、筒内圧センサによって実測された第１の気筒の筒内圧に基づいて、該第１の気筒の実測トルクが算出される。このため、本発明によれば、当該第１の気筒の実測図示トルクと、第２角加速度と第１角加速度との差分値とに基づいて、筒内圧を実測していない第２の気筒の図示トルクを精度よく推定することができる。

更に、第１の発明によれば、第２角加速度と第１角加速度の差分値に慣性モーメントを乗じた値は、第１の気筒の図示トルクからのトルク変動量を示している。このため、本発明によれば、第１の気筒の実測図示トルクに当該差分値を加算することにより、第２の気筒の図示トルクを精度よく推定することができる。

第２の発明によれば、対象気筒の図示トルクは、前対象気筒の推定図示トルクと、対象気筒の角加速度と前対象気筒の角加速度との差分値とに基づいて推定される。このため、本発明によれば、筒内圧センサを有しない気筒の爆発が連続する場合であっても、順次図示トルクを精度よく推定することができる。

第３の発明によれば、複数気筒に筒内圧センサを設ける場合に、該筒内圧センサを有する気筒間の爆発気筒数が均等となるように、該筒内圧センサを設ける気筒が設定される。このため、本発明によれば、筒内圧センサを有しない気筒の爆発連続数を最小限にすることができるので、推定図示トルクに重畳する誤差を効果的に低減することができる。

本発明の実施の形態としてのシステム構成を説明するための概略構成図である。 内燃機関１０の各気筒の筒内圧の変化と、クランク軸の３０°ＣＡ時間の変化とを示す図である。 本実施の形態の装置で推定された図示トルクと該図示トルクの真値との比較結果を示す図である。 本発明の実施の形態において実行されるルーチンを示すフローチャートである。 複数気筒に筒内圧センサを搭載する場合の搭載例を示す図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態としてのシステム構成を説明するための概略構成図である。図１に示すとおり、本実施の形態のシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、複数気筒（例えば６気筒）を有する火花点火式のエンジンとして構成されている。尚、図１では、内燃機関１０の１気筒の断面を模式的に示している。内燃機関１０の筒内には、その内部を往復運動するピストン１２が設けられている。また、内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。ピストン１２とシリンダヘッド１４との間には、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気通路１８および排気通路２０の一端がそれぞれ連通している。吸気通路１８および排気通路２０と燃焼室１６との連通部には、それぞれ吸気弁２２および排気弁２４が配置されている。

吸気通路１８の入口には、エアクリーナ２６が取り付けられている。エアクリーナ２６の下流には、スロットルバルブ２８が配置されている。スロットルバルブ２８は、アクセル開度に基づいてスロットルモータにより駆動される電子制御式のバルブである。

シリンダヘッド１４には、燃焼室１６の頂部から燃焼室１６内に突出するように点火プラグ３０が取り付けられている。また、シリンダヘッド１４には、燃料を筒内に噴射するための燃料噴射弁３２が設けられている。更に、シリンダヘッド１４には、筒内圧力を検出するための筒内圧センサ（ＣＰＳ）３４が組み込まれている。尚、筒内圧センサ３４は、内燃機関１０の複数気筒のうちの一部気筒（例えば１気筒のみ）に設けられている。

本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力部には、クランク軸の回転位置を検知するためのクランク角センサ４２や、上述した筒内圧センサ３４等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力部には、上述したスロットルバルブ２８、点火プラグ３０、燃料噴射弁３２等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、入力された各種の情報に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御する。

［実施の形態の動作］
次に、図２を参照して、内燃機関１０の各気筒の図示トルクを順次推定する方法を具体的に説明する。本実施の形態の内燃機関１０は、筒内圧センサ３４を備えている。筒内圧センサ３４が設けられた気筒（以下、「ＣＰＳ搭載気筒」と称する）では、該ＣＰＳ搭載気筒の爆発に起因する筒内圧の挙動を検出することができる。したがって、ＣＰＳ搭載気筒では、検出された筒内圧を用いて、当該気筒の爆発に起因する図示トルクを算出することができる。以下、筒内圧センサ３４の出力に基づいて算出された図示トルクを「実測図示トルク」と称することとする。尚、ＣＰＳを用いた実測図示トルクの算出方法に関しては、既に多くの方法が公知となっているため、その説明を省略する。

複数気筒を有する内燃機関１０において、全ての気筒に筒内圧センサ３４を設けることとすれば、各気筒の実測図示トルクを算出することができる。しかしながら、複数気筒の全てに筒内圧センサ３４を設けることは、種々の制約があり現実的ではない。そこで、本願の発明者は、一部の気筒のみに筒内圧センサ３４を設ける構成であっても、全ての気筒の図示トルクを精度よく推定することのできる内燃機関のトルク推定装置を考案した。以下、図２を参照して、更に詳細に説明する。

図２は、内燃機関１０の各気筒の筒内圧の変化と、クランク軸の３０°ＣＡ時間の変化とを示す図である。尚、この図では、♯１はＣＰＳ搭載気筒を、♯２以降は筒内圧センサ３４が設けられていない気筒（以下、「ＣＰＳ非搭載気筒」と称する）を、それぞれ示している。

先ず、図示トルクＴｅは、運動方程式に則って次式（１）で表すことができる。
Ｉ×（ｄω／ｄｔ）＝Ｔｅ−Ｆｒ ・・・（１）

上式（１）において、Ｉは混合気の燃焼によって駆動される駆動部材の慣性モーメント（イナーシャ）であり、内燃機関１０のハード構成に基づいて決定される定数である。また、ｄω／ｄｔはクランク軸の角加速度である。したがって、Ｉ×（ｄω／ｄｔ）は、クランク軸の角加速度から算出される内燃機関１０の正味のトルクを表している。

また、Ｆｒは駆動部のフリクショントルクを示している。フリクショントルクＦｒは、ピストンとシリンダ内壁との摩擦など各勘合部の機械的な摩擦によるトルクであって、補機類の機械的な摩擦によるトルクを含むものである。

ここで、Ｉ×（ｄω／ｄｔ）は、クランク角センサ４２から供給されるクランク角信号に基づいて算出することができる。そこで、ＣＰＳ搭載気筒♯１の図示トルクをＴｅ_１、ＣＰＳ非搭載気筒♯２の図示トルクをＴｅ_２とすると、Ｔｅ_１およびＴｅ_２は、それぞれ以下の式で表すことができる。
Ｉ×（ｄω_１／ｄｔ）＝Ｔｅ_１−Ｆｒ ・・・（２）
Ｉ×（ｄω_２／ｄｔ）＝Ｔｅ_２−Ｆｒ ・・・（３）

上式（２）において、ｄω_１／ｄｔは、ＣＰＳ搭載気筒♯１の爆発に起因するトルクが発生する期間として予め設定されたＣＡ時間（例えば、♯１のＡＴＤＣ３０°ＣＡ〜１５０°ＣＡ）の角加速度の平均値を示している。また、上式（３）において、ｄω_２／ｄｔは、ＣＰＳ非搭載気筒♯２のＣＡ時間（♯２のＡＴＤＣ３０°ＣＡ〜１５０°ＣＡ）の角加速度の平均値を示している。

ここで、内燃機関１０の通常の運転においては、気筒間のフリクショントルクのバラツキは無視できる程度に小さい。そこで、上式（２）および（３）においてフリクショントルクＦｒが等しいとすると、以下の式が成立する。
Ｔｅ_２＝Ｔｅ_１＋Ｉ×（ｄω_２／ｄｔ−ｄω_１／ｄｔ） ・・・（４）

上述したとおり、Ｔｅ_１は、筒内圧センサ３４を用いて実測図示トルクを算出することができる。また、Ｉ×（ｄω_２／ｄｔ−ｄω_１／ｄｔ）は、クランク角センサ４２のクランク信号に基づいて算出することができる。したがって、これらの値を上式（４）に代入することにより、ＣＰＳ搭載気筒♯１の次に爆発するＣＰＳ非搭載気筒♯２の図示トルクを精度よく推定することができる。

また、トルク算出の対象となる気筒をｋ、ｋ気筒の直前に爆発した気筒をｋ−１として上式（４）を一般化すると、次式（５）が成立する。
Ｔｅ_ｋ＝Ｔｅ_ｋ−１＋Ｉ×（ｄω_ｋ／ｄｔ−ｄω_ｋ−１／ｄｔ） ・・・（５）

したがって、ＣＰＳ非搭載気筒♯３以降の図示トルクＴｅ_ｋに関しても、上式（５）を用いることにより、爆発順に順次図示トルクを推定することができる。

図３は、本実施の形態の装置で推定された図示トルクと該図示トルクの真値との比較結果を示す図である。尚、図３中（Ａ）は、何れの気筒においても失火が発生していない場合を、図３中（Ｂ）は、複数気筒のうちの１気筒において連続失火が発生している場合を、それぞれ示している。

この図に示すとおり、特定の気筒において連続失火が発生している場合であっても、図示トルクが精度よく推定できることがわかる。これは、本実施の形態の装置が、単に気筒間のトルク変動量を推定するのではなく、特定気筒の実測図示トルクを算出することにより、以後の気筒の図示トルクを絶対量として推定しているためである。これにより、特定気筒の失火等に起因する誤差が、以後の気筒の図示トルク推定に延々と重畳されてしまう事態を抑止することができる。

［実施の形態の具体的処理］
次に、図４を参照して、本実施の形態の具体的処理について説明する。図４は、ＥＣＵ４０が図示トルクを推定するルーチンを示すフローチャートである。

図４に示すルーチンでは、先ず、ＣＰＳ搭載気筒♯１の筒内圧が読み込まれる（ステップ１００）。ここでは、具体的には、ＣＰＳ搭載気筒♯１の爆発時の筒内圧センサ３４の検出信号が読み込まれる。

次に、実測図示トルクＴｅ_１が算出される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００において読み込まれた筒内圧挙動に基づいて、当該ＣＰＳ搭載気筒♯１の爆発に起因する実測図示トルクが算出される。

次に、ＣＰＳ搭載気筒♯１のＣＡ時間における角加速度ｄω_１／ｄｔが算出される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、♯１のＡＴＤＣ３０°ＣＡ〜１５０°ＣＡの期間の角加速度ｄω_１／ｄｔが算出される。次に、ＣＰＳ非搭載気筒♯２のＣＡ時間における角加速度ｄω_２／ｄｔが算出される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、♯２のＡＴＤＣ３０°ＣＡ〜１５０°ＣＡの期間の角加速度ｄω_２／ｄｔが算出される。

図４に示すルーチンでは、次に、ＣＰＳ非搭載気筒♯２の推定図示トルクＴｅ_２が算出される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２において算出された実測図示トルクＴｅ_１と、上記ステップ１０４および１０６において算出された角加速度ｄω_１／ｄｔおよびｄω_２／ｄｔとが、上式（４）に代入される。

次に、ＣＰＳ非搭載気筒♯３以降の推定図示トルクＴｅ_ｋが順次算出される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、直前に爆発した気筒の図示トルクＴｅ_ｋ−１を上式（５）に代入することにより、次に爆発する気筒の図示トルクＴｅ_ｋが順次算出される。

以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、ＣＰＳ搭載気筒♯１の実測図示トルクを用いて、該ＣＰＳ搭載気筒♯１の次に爆発するＣＰＳ非搭載気筒♯２の図示トルクを精度よく推定することができる。また、ＣＰＳ非搭載気筒♯２以降に爆発する気筒の図示トルクＴｅ_ｋに関しても、直前に爆発した気筒の図示トルクＴｅ_ｋ−１に基づいて、順次推定することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態では、６気筒の内燃機関１０において、♯１気筒に筒内圧センサ３４を設けることとしたが、システムの構成はこれに限られない。すなわち、内燃機関１０は、複数気筒を有する内燃機関であれば８気筒でも４気筒でもよい。また、筒内圧センサ３４は、複数気筒の中の一部気筒に搭載されるのであれば、１気筒のみに限らず、複数気筒に搭載される構成でもよい。尚、筒内圧センサ３４を複数搭載する場合には、ＣＰＳ搭載気筒間に爆発するＣＰＳ非搭載気筒数が極力均等となる構成が好ましい。

図５は、複数気筒に筒内圧センサを搭載する場合の搭載例を示す図である。尚、図５中（Ａ）は、８気筒内燃機関において、２つの筒内圧センサを設けた場合の一例を、図５中（Ｂ）は、８気筒内燃機関において、３つの筒内圧センサを設けた場合の一例を、それぞれ示している。

図５中（Ａ）では、♯１気筒と♯６気筒とに筒内圧センサを設けている。このような構成によれば、４気筒毎に実測図示トルクが算出されることとなるため、誤差の拡大を効果的に抑止することができる。また、図５中（Ｂ）では、♯１気筒と♯３気筒と♯７気筒とに筒内圧センサを設けている。このような構成によれば、２気筒または３気筒毎に実測図示トルクが算出されることとなるため、上記同様に誤差の拡大を効果的に抑止することができる。

尚、上述した実施の形態においては、筒内圧センサ３４が前記第１の発明の「筒内圧センサ」に、ＣＰＳ搭載気筒♯１が前記第１の発明の「第１の気筒」に、ＣＰＳ非搭載気筒♯２が前記第１の発明の「第２の気筒」に、ｄω_１／ｄｔが前記第１の発明の「第１角加速度」に、ｄω_２／ｄｔが前記第１の発明の「第２角加速度」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより、前記第１の発明における「筒内圧取得手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「第１角加速度算出手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「第２角加速度算出手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「推定図示トルク算出手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「実測図示トルク算出手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「推定図示トルク算出手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１１０の処理を実行することにより、前記第２の発明における「第２の推定図示トルク算出手段」が実現されている。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ シリンダヘッド
１６ 燃焼室
１８ 吸気通路
２０ 排気通路
２２ 吸気弁
２４ 排気弁
２６ エアクリーナ
２８ スロットルバルブ
３０ 点火プラグ
３２ 燃料噴射弁
３４ 筒内圧センサ（ＣＰＳ）
４０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
４２ クランク角センサ

Claims (3)

1. 複数気筒を有する内燃機関のトルク推定装置であって、
   前記内燃機関の所定気筒（以下、第１の気筒）に設けられた筒内圧センサと、
   前記筒内圧センサの検出信号に基づいて、前記第１の気筒の筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
   前記第１の気筒の爆発に起因するクランク角加速度（以下、第１角加速度）を算出する第１の角加速度算出手段と、
   前記第１の気筒の次に爆発する気筒（以下、第２の気筒）の爆発に起因するクランク角加速度（以下、第２角加速度）を算出する第２の角加速度算出手段と、
   前記第１の気筒の筒内圧に基づいて、該第１の気筒の爆発に起因する実測図示トルクを算出する実測図示トルク算出手段と、
   前記第２角加速度と前記第１角加速度との差分値と、前記第１の気筒の実測図示トルクと、を用いて、前記第２の気筒の爆発に起因する推定図示トルクを算出する推定図示トルク算出手段と、を備え、
   前記推定図示トルク算出手段は、前記差分値に慣性モーメントを乗じた値と前記実測図示トルクとの和を、前記第２の気筒の爆発に起因する推定図示トルクとして算出することを特徴とする内燃機関のトルク推定装置。
2. トルク推定の対象となる気筒（以下、対象気筒）の直前に燃焼した気筒（以下、前対象気筒）の推定図示トルクと、前記対象気筒の爆発に起因する角加速度と前記前対象気筒の爆発に起因する角加速度との差分値と、を用いて、前記対象気筒の推定図示トルクを算出する第２の推定図示トルク算出手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のトルク推定装置。
3. 前記筒内圧センサを複数気筒に設ける場合に、該筒内圧センサを設けた気筒間の爆発気筒数が均等になるように設けることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関のトルク推定装置。

Images