JP5734782B2 - 内燃機関の状態推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御等に必要とされる機関状態としての吸気系や排気系の圧力を推定する内燃機関の状態推定装置に関する。

内燃機関の制御には、吸気系の圧力（吸気圧）や排気系の圧力（排気圧）が必要とされることが多い。そして、通常、これらの圧力は、排気系や吸気系にそれぞれ設けられた各圧力センサにより測定されることになる。こうした圧力センサには、その不具合などが内燃機関を制御する上での信頼性を低下させることのないように、高い耐久性が求められている反面、このように耐久性に優れたセンサを搭載することに起因するエンジンシステムとしてのコストの上昇も避けられない。そこで近年は、吸気圧や排気圧の取得に必要な圧力センサを減らす技術が提案されており、その一例が特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載の圧力推定装置では、ベルヌーイの式に、複数の機関状態に基づき推定した排気温度と、同様に複数の機関状態に基づき演算した排気流量とを適用して排気圧を算出する。この際、排気温度は、燃料噴射量、吸入空気温度及び燃料噴射時期に基づいて求められるとともに、排気流量は、吸入空気流量及び機関回転速度に基づき、シリンダ排出時の排気流量として求められる。すなわちこの圧力推定装置では、燃料噴射量、吸入空気温度、燃料噴射時期、吸入空気流量、及び機関回転速度などの複数の機関運転パラメータに基づいて排気圧を推定するようにしている。

特開平１０−２６０４９号公報

特許文献１に記載の圧力推定装置のように、複数の運転パラメータを用いて排気圧を推定するようにすれば、確かに排気圧を測定する圧力センサを減らすことができるようにはなる。しかしながら、多数の運転パラメータに基づいて排気圧を推定する場合、その算出方法が複雑で演算に時間を要するなど演算負荷が増大するため、その演算負荷が制御装置の処理能力に与える影響が無視できず、その採用は必ずしも容易ではない。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の制御等に必要な機関状態である吸気系や排気系の圧力をより簡単に得ることのできる内燃機関の状態推定装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果を記載する。
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、気筒内の圧力を測定する筒内圧力センサを備え、当該気筒の吸気ポートを開閉する吸気弁、及び当該気筒の排気ポートを開閉する排気弁の開弁期間中における前記筒内圧力センサの検出値に基づいて、内燃機関の吸気圧及び排気圧の少なくとも一方を機関状態として推定するものであって、前記筒内圧力センサの検出値に基づく圧力波形の繰り返し特性を利用して、前記吸気圧及び排気圧の少なくとも一方の任意の期間の圧力を機関状態として推定することを要旨とする。

このような構成によれば、吸気弁や排気弁の開弁期間中の気筒内の圧力に基づいて、吸気圧や排気圧が推定されるようになるため、吸気圧や排気圧を測定するため圧力センサを、吸気通路や排気通路に設けることが不要になる。このようにすることにより、この内燃機関の状態推定装置は、吸気圧や排気圧を簡単に推定することができるようになる。

また、吸気圧に基づいて吸入空気量を得ることのできるマップを利用することで推定された吸気圧から吸入空気量を得ることができるようにもなる。

また、このような構成によれば、１サイクル中の吸気圧及び排気圧が筒内圧力センサの検出値により推定できるようになる。例えば、吸気弁や排気弁の開弁期間中であれば、筒内圧力センサの検出値を吸気圧や排気圧の推定値に利用することが可能であり、吸気弁や排気弁が閉鎖されている閉鎖期間中であれば、予め測定された筒内圧力センサの検出値を、その他の気筒の吸気弁や排気弁の開弁期間中に対応させることで、当該その他の気筒の吸気圧及び排気圧の少なくとも一方を推定することができるようになる。これにより、吸気圧や排気圧の測定に必要な圧力センサの数を少なくすることができるようになるとともに、吸気圧や排気圧の推定に必要な筒内圧力センサの数も少なくすることができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の状態推定装置において、前記筒内圧力センサは、気筒を形成するシリンダ側面にあって、ピストンの上死点よりも燃焼室よりの位置に配置されていることを要旨とする。

このような構成によれば、常時、筒内圧力センサが筒内に区画された燃焼室内の圧力を測定することができるようになるため、連続した圧力データが取得されるなど内燃機関の制御に都合がよい。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の状態推定装置において、前記筒内圧力センサは、気筒を形成するシリンダ側面にあって、ピストンが上死点に到達したときにピストンによって覆われる位置に配置されていることを要旨とする。

このような構成によれば、内燃機関の圧縮膨張行程において、燃焼により燃焼室が高温・高圧になる、つまり燃焼室の容量が最小になるとき、筒内圧力センサはピストンによって覆われることにより燃焼室から一時的に隔離される。これにより筒内圧力センサは燃焼室内の高温や高圧、特に高温や高圧のピークを避けることができるようになる。すなわち、筒内圧力センサが高温や高圧に曝される機会を減少させることができる。これにより圧力センサの耐圧を下げることができるようにもなる。通常、筒内圧力センサの測定範囲と耐圧とは比例関係にあるため、耐圧の高いセンサは測定範囲が広い一方で測定精度は低くなってしまうが、耐圧を低くすることで測定範囲を狭くして吸気圧や排気圧などの推定に必要な測定範囲における測定精度を高くすることができるようにもなる。

なお、この構成によると、吸気圧や排気圧などを推定する範囲において、筒内圧力センサが圧力を測定できない範囲が生じるものの、そのような測定できない範囲があまり広範囲でなければ、その測定できない範囲の圧力を直前の測定圧力に維持するなどの各種の補完処理により補完するようにしてもよい。これにより、内燃機関の状態推定装置に採用する筒内圧力センサの耐圧を低くすることによるコスト低減や、高圧による故障が抑制されることなどによる信頼性の維持、筒内圧力センサの取り付け位置の設計自由度の向上などが図られるようになる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の状態推定装置において、前記内燃機関はＶ型多気筒機関であり、前記筒内圧力センサは、バンク別に、代表する一つの気筒に対して設けられていることを要旨とする。

このような構成によれば、バンクを構成する複数の気筒のうちの代表する一つの気筒にのみ筒内圧力センサを設けることから、Ｖ型多気筒機関において、吸気圧や排気圧を測定する圧力センサだけでなく、気筒に設ける筒内圧力センサも減らすことができるようになる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の状態推定装置において、前記内燃機関は直列多気筒機関であり、前記筒内圧力センサは、代表する一つの気筒に対して設けられていることを要旨とする。

このような構成によれば、複数の気筒のうちの代表する一つの気筒にのみ筒内圧力センサを設けることから、直列多気筒機関において、吸気圧や排気圧を測定する圧力センサだけでなく、気筒に設ける筒内圧力センサも減らすことができるようになる。

本発明に係る内燃機関の状態推定装置を備える内燃機関を具体化した第１の実施形態について、その概略構成を示す模式図。 同実施形態の内燃機関における吸気圧と筒内圧との関係を示すグラフ。 同実施形態の内燃機関における排気圧と筒内圧との関係を示すグラフ。 同実施形態の内燃機関における１サイクルに対応する吸気圧と筒内圧から推定される吸気圧とについて示すグラフ。 同実施形態の内燃機関における１サイクルに対応する排気圧と筒内圧から推定される排気圧について示すグラフ。 同実施形態の内燃機関で吸気圧と排気圧とを推定し出力する手順について示すフローチャート。 本発明に係る内燃機関の状態推定装置を備える内燃機関を具体化した第２の実施形態について、その概略構成を示す模式図。 同実施形態の内燃機関における吸気圧と筒内圧との関係を示すグラフ。 同実施形態の内燃機関における排気圧と筒内圧との関係を示すグラフ。 本発明に係る内燃機関の状態推定装置を備える内燃機関を具体化したその他の実施形態について、その概略構成を示す模式図。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係る内燃機関の状態推定装置を備える内燃機関の第１の実施形態について図１に従って説明する。なお、本実施形態の内燃機関は、６つの気筒を備えたＶ型６気筒であるため、左右に配置されたバンクはそれぞれ３つの気筒を有しているとともに、それぞれ１つの吸気通路２１及び排気通路２３が接続されている。すなわち、吸気通路２１及び排気通路２３は対応するバンクの３つの気筒により共用されている。

図１に示すように、内燃機関１１の各気筒１２内にはピストン１３が往復動可能に設けられている。各気筒１２には、このピストン１３の頂面と気筒１２の内面とによって燃焼室１４が区画形成されている。つまり、ピストン１３は気筒１２内の往復動によりその頂面を下死点ＢＤＣの位置と上死点ＴＤＣの位置との間で移動させて、同頂面により区画している燃焼室１４の容量を増減させる。例えばピストン１３の頂面が上死点ＴＤＣの位置に配置されたとき、燃焼室１４の容量は最小になる。

また、内燃機関１１には、各気筒１２に対応して各別に、燃料を噴射する燃料噴射弁１５が設けられている。そして、各燃焼室１４では、吸入空気と噴射燃料とからなる混合気に対して点火プラグ１６による点火が行われ、これによって同混合気が燃焼してピストン１３が往復移動し、出力軸としてのクランクシャフト３１が回転する。このクランクシャフト３１の駆動力は、変速機等を介して駆動輪（図示略）へ伝達される。

さらに、各気筒１２には、燃焼室１４内の圧力、いわゆる筒内圧ＣＰを測定するとともに、同筒内圧ＣＰを検出値として出力することのできる筒内圧力センサ４５が設けられている。つまり、筒内圧力センサ４５はその検出部が気筒１２を形成するシリンダ側面に配置されている。なお、本実施形態では、筒内圧力センサ４５は、シリンダ側面にあって、ピストン１３の位置にかかわらずピストン１３に覆われない位置である上死点ＴＤＣよりも燃焼室１４よりの位置に設けられている。このことから、筒内圧力センサ４５は、ピストン１３が上死点ＴＤＣの位置にてあっても燃焼室１４内の圧力を測定することができるため、ピストン１３が往復動する上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣの全範囲で燃焼室１４内の圧力を測定することができる。

上記内燃機関１１は、吸気通路２１の燃焼室１４への連通部分である吸気ポート２１ａと燃焼室１４との間が吸気バルブ２２の開閉動作によって連通・遮断される。また、内燃機関１１は、燃焼室１４と排気通路２３の燃焼室１４への連通部分である排気ポート２３ａとの間が排気バルブ２４の開閉動作によって連通・遮断される。すなわち、気筒１２は燃焼室１４に接続される吸気通路２１が吸気バルブ２２により開閉され、気筒１２は燃焼室１４に接続される排気通路２３が排気バルブ２４により開閉される。吸気バルブ２２はクランクシャフト３１の回転が伝達される吸気カムシャフト２６の回転に伴って開閉動作するとともに、排気バルブ２４はクランクシャフト３１の回転が伝達される排気カムシャフト２７の回転に伴って開閉動作する。

こうした内燃機関１１の各種制御は、車両に搭載された電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４１によって行われる。ＥＣＵ４１は、内燃機関１１の制御に係る演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果が一時的に記憶されるＲＡＭ、外部からの信号を入力するための入力ポート及び外部に信号を出力するための出力ポート等から構成されている。特に、本実施形態では、プログラムやデータには、機関状態としての吸気圧や排気圧を得るための処理や該処理に必要なパラメータ等が含まれている。必要なパラメータ等としては、吸気圧に基づいて吸入空気量を得ることのできるマップが挙げられる。

ＥＣＵ４１の入力ポートには、内燃機関１１や車両の状態を検出する各種センサが接続されている。この各種センサとしては、クランクシャフト３１の回転角であるクランク角ＣＡ及びクランクシャフト３１の回転速度である機関回転速度ＮＥを検出するためのクランクポジションセンサ４２が挙げられる。また各種センサとしては、吸気カムシャフト２６の回転角を検出するための吸気カムポジションセンサ４３や、排気カムシャフト２７の回転角を検出するための排気カムポジションセンサ４４が挙げられる。さらに各種センサとしては、測定した筒内圧ＣＰを検出値として出力する前記筒内圧力センサ４５が挙げられる。なお、ＥＣＵ４１は、少なくとも内燃機関の１サイクルの期間における筒内圧ＣＰをクランク角ＣＡに関連付けて保持できるようになっている。また各種センサとしては、運転者により操作されるシフトレバー（図示略）のシフト位置を検出するためのシフトポジションセンサ４６、アクセル踏込み量を検出するためのアクセルポジションセンサ４７、ブレーキペダルの操作状態を検出するためのブレーキセンサ４８、及び車両走行速度を検出するための車速センサ４９等が挙げられる。

一方、ＥＣＵ４１の出力ポートには、燃料噴射弁１５や点火プラグ１６等が電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ４１は、上述の各種センサの検出結果に基づいて燃料噴射や点火時期等の各種制御を行う。具体的には、クランクポジションセンサ４２、吸気カムポジションセンサ４３及び排気カムポジションセンサ４４から出力される信号に基づき気筒判別を実行するとともに、クランク角ＣＡに基づいて各気筒１２に対する燃料噴射時期及び点火時期を設定する。

次に、図２を参照して、吸気バルブ２２の開閉動作、筒内圧ＣＰ及び吸気圧との関係について説明する。なお、１つのバンクには同様の構成からなる気筒１２が３つ設けられているが、本実施形態では、それら３つの気筒１２のうちの１つを、バンクを代表する気筒１２としている。そして、説明の便宜上、内燃機関１１の状態推定装置についてその代表とする気筒１２を中心に説明する。

図２に示すように、吸気バルブ２２は、吸入行程が開始されると、バルブリフト量ＶＬｉが「０」である閉弁状態から、バルブリフト量ＶＬｉが「０」よりも大きい状態、つまり開弁状態に移行する。そして、吸気バルブ２２は、バルブリフト量ＶＬｉが最大となった後、バルブリフト量ＶＬｉが小さくなっていき、「０」となることで閉弁状態となり吸入行程が終了する。例えば、図２において、吸気バルブ２２は、クランク角が３６０°（３６０°ＣＡ）よりも小さいクランク角から吸入行程が開始され、４５０°ＣＡのときバルブリフト量ＶＬｉが最大となり、５４０°ＣＡを過ぎてから吸入行程が終了する。この吸入行程において、筒内圧力センサ４５は、燃焼室１４内の筒内圧ＣＰとして大気圧Ｐ０の近傍を変動する圧力を検出する。また、同吸入行程において、吸気通路２１に試験的に設けられた試験用圧力センサは、吸気通路２１の圧力である吸気圧ＩＰとして大気圧Ｐ０の近傍を変動する圧力を検出する。

ところで、このように測定された吸気圧ＩＰと筒内圧ＣＰとを、吸入行程に対応する範囲ＳＩで比較してみると、吸気圧ＩＰと筒内圧ＣＰとはその値及び変動が類似していることが分かる。なお、筒内圧ＣＰにはノイズ等による急激な変動が含まれることがあるが、そのような急激な変動をフィルタで規制したり、平準化するような処理を行うことで、吸入行程において、筒内圧ＣＰを吸気圧ＩＰに一層類似させることができる。このようなことから、本実施形態のＥＣＵ４１は、吸入行程においては、吸気通路２１の吸気圧ＩＰに代えて筒内圧ＣＰを使用するようにしている。つまり、吸気圧ＩＰの推定値として筒内圧ＣＰを用いるようにする。なお、ＥＣＵ４１は、吸気圧ＩＰの推定値として筒内圧ＣＰに所定の処理を施した値を使用するようにしてもよい。

次に、図３を参照して、排気バルブ２４の開閉動作、筒内圧ＣＰ及び排気圧との関係について説明する。
図３に示すように、排気バルブ２４は、排気行程が開始されると、バルブリフト量ＶＬｅが「０」である閉弁状態から、バルブリフト量ＶＬｅが「０」よりも大きい状態、つまり開弁状態に移行する。そして、排気バルブ２４は、バルブリフト量ＶＬｅが最大となった後、バルブリフト量ＶＬｅが小さくなっていき、「０」となることで閉弁状態となり排気行程が終了する。例えば、図３において、排気バルブ２４は、１８０°ＣＡよりも小さいクランク角から排気行程が開始され、２７０°ＣＡのときバルブリフト量ＶＬｅが最大となり、３６０°ＣＡを過ぎてから排気行程が終了する。この排気行程において、筒内圧力センサ４５は、燃焼室１４内の筒内圧ＣＰとして大気圧Ｐ０を中心に大きく変動する圧力を検出する。また、同排気行程において、排気通路２３に試験的に設けられた試験用圧力センサは、排気通路２３の圧力である排気圧ＥＰとして大気圧Ｐ０を中心に大きく変動する圧力を検出する。

すなわち、このように測定された排気圧ＥＰと筒内圧ＣＰとを、排気行程に対応する範囲ＳＥで比較してみると、排気圧ＥＰと筒内圧ＣＰとはその値及び変動が類似していることが分かる。なお、筒内圧ＣＰにはノイズ等による急激な変動が含まれることがあるが、そのような急激な変動をフィルタで規制したり、平準化するような処理を行うことで、排気行程において、筒内圧ＣＰを排気圧ＥＰに一層類似させることができる。このようなことから、本実施形態のＥＣＵ４１は、排気行程においては、排気通路２３の排気圧ＥＰに代えて筒内圧ＣＰを使用するようにしている。つまり、排気圧ＥＰの推定値として筒内圧ＣＰを用いるようにする。なお、ＥＣＵ４１は、排気圧ＥＰの推定値として筒内圧ＣＰに所定の処理を施した値を使用するようにしてもよい。

次に、図４及び図５を参照して、内燃機関１１の１サイクルにおける吸気圧及び排気圧の推定について説明する。
内燃機関１１は、バンクの３つの気筒１２が１つの吸気通路２１及び排気通路２３を共用していることから、バンクに設けられている３つの気筒１２は、各気筒１２の吸入行程の位相がそれぞれ２４０°ＣＡずつずれているとともに、各気筒１２の排気行程の位相もそれぞれ２４０°ＣＡずつずれている。

すなわち、図４に示すように、バンクでは、３つの気筒１２に対応する３つの第１〜第３の吸入行程Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３が等しいクランク角の間隔で１サイクル中に配置される。例えば、第１の吸入行程Ｉ１は、３３０°ＣＡから開始され、４５０°ＣＡにて最大リフト量になり、５７０°ＣＡにて終了する。また、第２の吸入行程Ｉ２は、５７０°ＣＡから開始され、６９０°ＣＡにて最大リフト量になり、次のサイクルの９０°ＣＡにて終了する。さらに、第３の吸入行程Ｉ３は、９０°ＣＡから開始され、２１０°ＣＡにて最大リフト量になり、３３０°ＣＡにて終了する。

すなわち、吸気通路２１では２４０°ＣＡ毎に第１〜第３の吸入行程Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３が順次繰り返されることから該吸気通路２１の吸気圧ＩＰは、２４０°ＣＡ毎に第１〜第３の吸入行程Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に対応する変化を順次繰り返す。

ところで、試験用圧力センサで吸気通路２１の吸気圧ＩＰを１サイクルの期間測定すると、第１〜第３の吸入行程Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に対応する部分の吸気圧はそれぞれ、その値や変動が相互に類似していることが分かる。すなわち、第１の吸入行程Ｉ１の吸気圧のデータを、第２及び第３の吸入行程Ｉ２，Ｉ３の吸気圧のデータとして用いることが可能であることが分かる。そして、このことから、第１の吸入行程Ｉ１において、吸気通路２１の吸気圧を筒内圧ＣＰに基づいて推定した場合、その推定した吸気通路２１の吸気圧を、第２の吸入行程Ｉ２や第３の吸入行程Ｉ３における吸気通路２１の吸気圧の推定値としても用いることができることが分かる。すなわち、筒内圧力センサ４５の検出値に基づく筒内圧ＣＰの圧力波形の繰り返しが、吸気圧ＩＰの変化に対応する特性があることから、この特性を利用することで、第２又は第３の吸入行程Ｉ２，Ｉ３に対応する吸気圧ＩＰであれ、他の気筒の筒内圧力センサ４５の検出値から推定できることが分かる。

そこで、本実施形態では、ＥＣＵ４１は、第１の吸入行程Ｉ１における吸気通路２１の吸気圧ＩＰの推定値を、第１の吸入行程Ｉ１に対応する気筒１２にて測定された筒内圧ＣＰｉに基づき推定するようにしている。さらに、ＥＣＵ４１は、第２及び第３の吸入行程Ｉ２，Ｉ３に対応する吸気圧ＩＰの推定値についてもそれぞれ、第１の吸入行程Ｉ１における吸気通路２１の吸気圧ＩＰの推定値を用い、つまり、第１の吸入行程Ｉ１に対応する気筒１２内の筒内圧ＣＰｉに基づき推定するようにしている。このように、ＥＣＵ４１は、第１の吸入行程Ｉ１に対応する気筒１２内の筒内圧ＣＰｉに基づいて、第１〜第３の吸入行程Ｉ１〜Ｉ３のうちの任意の期間における吸気通路２１の吸気圧を推定する。

また、図５に示すように、バンクでは、３つの気筒１２に対応する３つの第１〜第３の排気行程Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が等しいクランク角の間隔で１サイクル中に配置される。例えば、第１の排気行程Ｅ１は、１５０°ＣＡから開始され、２７０°ＣＡにて最大リフト量になり、３９０°ＣＡにて終了する。また、第２の排気行程Ｅ２は、３９０°ＣＡから開始され、５１０°ＣＡにて最大リフト量になり、６３０°ＣＡにて終了する。さらに、第３の排気行程Ｅ３は、６３０°ＣＡから開始され、次の６０°ＣＡにて最大リフト量になり、同１５０°ＣＡにて終了する。

すなわち、排気通路２３では２４０°ＣＡ毎に第１〜第３の排気行程Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が順次繰り返し実行されることから該排気通路２３の排気圧ＥＰは、２４０°ＣＡ毎に第１〜第３の排気行程Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に対応する変化を順次繰り返す。

ところで、試験用圧力センサで排気通路２３の排気圧ＥＰを１サイクルの期間測定すると、第１〜第３の排気行程Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に対応する排気圧はそれぞれ、その値や変動が相互に類似していることが分かる。すなわち、第１の排気行程Ｅ１の排気圧のデータを、第２及び第３の排気行程Ｅ２，Ｅ３の排気圧のデータとして用いることが可能であることが分かる。そして、このことから、第１の排気行程Ｅ１において、排気通路２３の排気圧を筒内圧ＣＰに基づいて推定した場合、その推定した排気通路２３の排気圧を、第２の排気行程Ｅ２や第３の排気行程Ｅ３における排気通路２３の排気圧の推定値としても用いることができることが分かる。すなわち、筒内圧力センサ４５の検出値に基づく筒内圧ＣＰの圧力波形の繰り返しが、排気圧ＥＰの変化に対応する特性があることから、この特性を利用することで、第２及び第３の排気行程Ｅ２，Ｅ３に対応する排気圧ＥＰであれ、他の気筒の筒内圧力センサ４５の検出値から推定できることが分かる。

そこで、本実施形態では、ＥＣＵ４１は、第１の排気行程Ｅ１における排気通路２３の排気圧ＥＰの推定値を、第１の排気行程Ｅ１に対応する気筒１２にて測定された筒内圧ＣＰｅに基づき推定するようにしている。さらに、ＥＣＵ４１は、第２及び第３の排気行程Ｅ２，Ｅ３に対応する排気圧ＥＰの推定値についてもそれぞれ、第１の排気行程Ｅ１における排気通路２３の排気圧ＥＰの推定値を用い、つまり、第１の排気行程Ｅ１に対応する気筒１２内の筒内圧ＣＰｅに基づき推定するようにしている。このように、ＥＣＵ４１は、第１の排気行程Ｅ１に対応する気筒１２内の筒内圧ＣＰｅに基づいて、第１〜第３の排気行程Ｅ１〜Ｅ３のうちの任意の期間における排気通路２３の排気圧を推定する。

（作用）
図６を参照して、ＥＣＵ４１が吸気圧や排気圧を推定して出力する手順について説明する。なお、吸気圧や排気圧を推定して出力する処理は、ＥＣＵ４１の内部要求や外部要求などによる吸気圧や排気圧の要求に応じて当該ＥＣＵ４１にて逐次実行される。なおここでは、上述の通り、１つのバンクにある３つの気筒１２のうちから選択された代表する１つの気筒１２に設けられた筒内圧力センサ４５のみを内燃機関１１の吸気圧や排気圧の推定に用いる場合について説明する。

ＥＣＵ４１は、吸気圧や排気圧の推定及び出力を要求されると、クランク角ＣＡ、吸気バルブ２２の開閉状態、代表する気筒１２に対応する排気バルブ２４の開閉状態及び同代表する気筒１２の筒内圧ＣＰをそれぞれ取得する（ステップＳ１１）。ＥＣＵ４１は、取得された排気バルブ２４の開閉状態に基づいて、排気バルブ２４が開弁しているか否かを判断する（ステップＳ１２）。排気バルブ２４が開弁していると判断された場合、ＥＣＵ４１は、測定された筒内圧ＣＰを排気圧として採用する、つまり筒内圧ＣＰを排気圧として推定する（ステップＳ１３）。一方、排気バルブ２４が閉弁していると判断された場合、ＥＣＵ４１は、メモリなどに保持されている、代表する気筒１２が排気行程のときに測定された筒内圧ＣＰに基づいて排気圧を推定する（ステップＳ１４）。詳述すると、代表する気筒１２の排気バルブ２４が閉弁しているということは、逆にその他の気筒１２が排気行程であることを意味する。このことから、ＥＣＵ４１は、その排気行程中の気筒１２と、代表する気筒１２の排気行程との位相差（例えば２４０°ＣＡや４８０°ＣＡ）に基づいて、保持されている代表する気筒１２の筒内圧ＣＰの位相をずらす。そしてその位相のずらされた代表する気筒１２の筒内圧ＣＰに基づいて、排気行程中の気筒１２の影響に基づく排気圧を推定するようにしている。

それから、ＥＣＵ４１は、ステップＳ１３又はステップＳ１４にて推定された排気圧を排気通路２３の排気圧として出力する（ステップＳ１５）。
続いて、ＥＣＵ４１は、取得された吸気バルブ２２の開閉状態に基づいて、吸気バルブ２２が開弁しているか否かを判断する（ステップＳ１６）。吸気バルブ２２が開弁していると判断された場合、ＥＣＵ４１は、測定された筒内圧ＣＰを吸気圧として採用する、つまり筒内圧ＣＰを吸気圧として推定する（ステップＳ１７）。一方、吸気バルブ２２が閉弁していると判断された場合、ＥＣＵ４１は、メモリなどに保持されている、代表する気筒１２が吸入行程のときに測定された筒内圧ＣＰに基づいて吸気圧を推定する（ステップＳ１８）。詳述すると、代表する気筒１２の吸気バルブ２２が閉弁しているということは、逆にその他の気筒１２が吸入行程であることを意味する。このことから、ＥＣＵ４１は、その吸入行程中の気筒１２と、代表する気筒１２の吸入行程との位相差（例えば２４０°ＣＡや４８０°ＣＡ）に基づいて、保持されている代表する気筒１２の筒内圧ＣＰの位相をずらす。そしてその位相のずらされた代表する気筒１２の筒内圧ＣＰに基づいて、吸入行程中の気筒１２の影響に基づく吸気圧を推定するようにしている。

それから、ＥＣＵ４１は、ステップＳ１７又はステップＳ１８にて推定された吸気圧を吸気通路２１の吸気圧として出力する（ステップＳ１９）。
これにより、ＥＣＵ４１による、吸気圧及び排気圧の推定及び出力処理が終了する。

以上説明したように、本実施形態の内燃機関の状態推定装置によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
（１）吸気バルブ２２や排気バルブ２４の開弁期間中の気筒１２内の圧力に基づいて、吸気圧や排気圧が推定されるようになるため、吸気圧や排気圧を測定するため圧力センサを、吸気通路２１や排気通路２３に設けることが不要になる。このようにすることにより、この内燃機関の状態推定装置は、吸気圧や排気圧を簡単に推定することができるようになる。

また、吸気圧に基づいて吸入空気量を得ることのできるマップを利用することで推定された吸気圧から吸入空気量を得ることができるようにもなる。
（２）筒内圧力センサ４５の検出値に基づく圧力波形の繰り返しが、吸気圧及び排気圧の変化に対応する特性を利用して、１サイクル中の吸気圧及び排気圧を筒内圧力センサ４５の検出値により推定するようにした。例えば、吸気バルブ２２や排気バルブ２４の開弁期間中であれば、筒内圧力センサ４５の検出値を吸気圧や排気圧の推定値に利用することが可能である。また、吸気バルブ２２や排気バルブ２４が閉鎖されている閉鎖期間中であれば、予め測定された筒内圧力センサ４５の検出値を、その他の気筒１２の吸気バルブ２２や排気バルブ２４の開弁期間中に対応させることで、当該その他の気筒１２の吸気圧及び排気圧の少なくとも一方を推定することができるようになる。これにより、吸気圧や排気圧の測定に必要な圧力センサの数を少なくすることができるようになるとともに、吸気圧や排気圧の推定に必要な筒内圧力センサ４５の数も少なくすることができるようになる。

（３）気筒１２を形成するシリンダ側面にあって、ピストン１３の上死点ＴＤＣよりも燃焼室１４よりの位置に筒内圧力センサ４５を配置したことから、常時、筒内圧力センサ４５が筒内に区画された燃焼室１４内の圧力を測定することができるため、連続した圧力データが取得されるなど内燃機関１１の制御に都合がよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明に係る内燃機関の状態推定装置の備えられた内燃機関の第２の実施形態について図７に従って説明する。

なお、本実施形態は、筒内圧力センサ４５Ａが、第１の実施形態の筒内圧力センサ４５に比べてクランクシャフト３１側に寄って配置されていることが第１の実施形態との相違点であり、その他の構成については同様であることから、以下では相違点について説明し、説明の便宜上、その他の構成については同じ番号を付しその構成を割愛する。

図７に示すように、各気筒１２には、燃焼室１４内の圧力、いわゆる筒内圧を測定することのできる筒内圧力センサ４５Ａが設けられている。つまり、筒内圧力センサ４５Ａはその検出部が気筒１２を形成するシリンダ側面に配置されている。この筒内圧力センサ４５Ａは、第１の実施形態の筒内圧力センサ４５よりも耐圧は低いものの、吸入行程や排気行程における筒内圧を高精度で検出することのできる圧力センサである。なお、本実施形態では、筒内圧力センサ４５Ａは、シリンダ側面にあって、ピストン１３が上死点ＴＤＣの位置に配置されると、その検出部がピストン１３の側面によって覆われる。つまり、筒内圧力センサ４５Ａの検出部は、ピストン１３の上死点ＴＤＣ側に配置された少なくとも１つのピストンリングＲ１よりもクランクシャフト３１側となる位置に配置されているため、ピストン１３が上死点ＴＤＣにあるとピストンリングＲ１により燃焼室１４から隔離される。すなわち、筒内圧力センサ４５Ａの検出部は、ピストン１３が上死点ＴＤＣの位置にて区画している燃焼室１４内の圧力を測定することができない位置に設けられている。このため、筒内圧力センサ４５Ａは、ピストン１３が往復動する上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣの範囲のうち、ピストン１３が上死点ＴＤＣにある位置を含む前後の範囲を除き、燃焼室１４内の圧力を測定することができる。一方、本実施形態では、ピストン１３が上死点ＴＤＣにある位置を含む前後の範囲は、測定不可能領域Ｙとして、燃焼室１４内の圧力を測定することができない。

図８や図９に示すように、測定不可能領域Ｙは、ピストン１３が上死点ＴＤＣとなる３６０°ＣＡを含む３３０°ＣＡから３９０°ＣＡの範囲に形成される。また、圧縮行程及び膨張行程においては、測定不可能領域Ｙが、ピストン１３が上死点ＴＤＣとなる７２０°ＣＡ（０°ＣＡ）を含む６９０°ＣＡから３０°ＣＡの範囲に形成される。

次に、図８を参照して、吸気バルブ２２の開閉動作、筒内圧に基づく吸気圧の推定について説明する。
なお、吸気バルブ２２は３６０°ＣＡよりも小さいクランク角から吸入行程が開始され、４５０°ＣＡのときバルブリフト量ＶＬｉが最大となり、５４０°ＣＡを過ぎてから吸入行程が終了する。このとき、筒内圧ＣＰ１ｉが測定されるが、測定不可能領域Ｙの影響により、吸入行程が開始された３３０°ＣＡから３９０°ＣＡまでの間は筒内圧ＣＰ１ｉを測定することはできないものの、その他の範囲ＳＩ１においては、吸気圧ＩＰに類似する値と変化を有する筒内圧ＣＰ１ｉが測定される。つまり、吸気圧ＩＰを筒内圧ＣＰ１ｉに基づいて推定することができる。なお、本実施形態では、３３０°ＣＡから３９０°ＣＡの間の筒内圧ＣＰ１ｉを、測定不可能領域Ｙに入る直前に測定された筒内圧ＣＰ１ｅにより補完するようにしている。なお、測定不可能領域Ｙにおける筒内圧の補完には、直前データを用いる方法や、予め定められたデータを用いる方法やなど、各種の補完方法を用いることができる。

次に、図９を参照して、排気バルブ２４の開閉動作、筒内圧に基づく排気圧の推定について説明する。
なお、排気バルブ２４は１８０°ＣＡよりも小さいクランク角から排気行程が開始され、２７０°ＣＡのときバルブリフト量ＶＬｅが最大となり、３６０°ＣＡを過ぎてから排気行程が終了する。このとき、筒内圧ＣＰ１ｅが測定されるが、測定不可能領域Ｙの影響により、排気行程が終了する前の３３０°ＣＡから３９０°ＣＡまでの間は筒内圧ＣＰ１ｅを測定することはできないものの、２１０°ＣＡから３３０°ＣＡの範囲ＳＥ１においては、排気圧ＥＰに類似する値と変化を有する筒内圧ＣＰ１ｅが測定される。つまり、排気圧ＥＰを筒内圧ＣＰ１ｅに基づいて推定することができる。なお、本実施形態では、３３０°ＣＡから３９０°ＣＡの間の筒内圧ＣＰ１ｅを、測定不可能領域Ｙに入る直前に測定された筒内圧ＣＰ１ｅにより補完するようにしている。なお、測定不可能領域Ｙにおける筒内圧の補完には、直前データを用いる方法や、予め定められたデータを用いる方法やなど、各種の補完方法を用いることができる。

（作用）
内燃機関１１の圧縮膨張行程において、燃焼室１４の容量が最小になって燃焼室１４内の圧力が高圧になるととともに、燃焼により温度が高温になるとき、ピストン１３は、筒内圧力センサ４５Ａを覆うことにより、筒内圧力センサ４５Ａを燃焼室１４内の高圧から一時的に隔離させる。これにより筒内圧力センサ４５Ａは燃焼室内の高温や高圧、特に高温や高圧のピークを避けることができるようになる。すなわち、筒内圧力センサ４５Ａは高温や高圧に曝される機会が減少するようになる。これにより、精度の高い筒内圧力センサ４５Ａを気筒に１２に設けて筒内圧を測定することができるようになるため、測定された筒内圧から推定される吸気圧や排気圧をより高い精度で推定することができるようになる。

以上説明したように、本実施形態の内燃機関の状態推定装置によれば、先の第１の実施形態で記載した効果（１）及び（２）に加え、以下に列記するような効果が得られるようになる。

（４）内燃機関１１の圧縮膨張行程において、燃焼により燃焼室１４が高温・高圧になる、つまり燃焼室１４の容量が最小になるとき、筒内圧力センサ４５Ａがピストン１３によって覆われることにより燃焼室１４から一時的に隔離される。これにより筒内圧力センサ４５Ａは燃焼室１４内の高温や高圧、特に高温や高圧のピークを避けることができるようになる。すなわち、筒内圧力センサ４５Ａが高温・高圧に曝される機会を減少させることができる。これにより筒内圧力センサ４５Ａの耐圧を下げることができるようにもなる。通常、筒内圧力センサ４５Ａの測定範囲と耐圧とは比例関係にあるため、耐圧の高いセンサは測定範囲が広い一方で測定精度は低くなってしまうが、耐圧を低くすることで測定範囲を狭くして吸気圧や排気圧などの推定に必要な測定範囲における測定精度を高くすることができるようにもなる。なお、この場合、吸気圧や排気圧などを推定する範囲において、筒内圧力センサ４５Ａが圧力を測定できない範囲が生じるものの、そのような測定できない範囲があまり広範囲でなければ、その測定できない範囲の圧力を直前の測定圧力に維持するなどの各種の補完処理により補完するようにしてもよい。これにより、内燃機関１１の状態推定装置に採用する筒内圧力センサ４５Ａの耐圧を低くすることによるコスト低減や、高圧による故障が抑制されることなどによる信頼性の維持、筒内圧力センサ４５Ａの取り付け位置の設計自由度の向上などが図られるようになる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、例えば以下のような態様にて実施することもできる。
・上記各実施形態の内燃機関としては、ガソリン機関やディーゼル機関などが好適である。これにより、内燃機関の状態推定装置の適用範囲の拡大が図られる。

・上記各実施形態の内燃機関には、排気再循環装置（ＥＧＲ装置）が設けられていてもよい。例えば、図１０に示すように、ＥＧＲ装置が設けられた内燃機関１１は、吸気通路２１には、図示しないスロットルモータによって開度が調整されるスロットルバルブ２０Ａにより燃焼室１４に供給される吸気の量を調整する。また、吸気通路２１には、吸気ポート２１ａに燃料を噴射する燃料噴射弁１５が設けられている。さらに吸気通路２１においてスロットルバルブ２０Ａの下流側には、排気通路２３を流れる排気の一部を吸気通路２１に導入するための排気還流通路３３の一方の端部が接続されている。また、排気還流通路３３には、この排気還流通路３３を流れる排気の流量を調整する排気還流弁３５と吸気通路２１に還流される排気を冷却するＥＧＲクーラ３６とが設けられている。一方、排気通路２３には、排気浄化装置２８が設けられている。排気浄化装置２８には排気に含まれる炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯ、窒素酸化物ＮＯｘを清浄化する三元触媒が担持されている。また、排気通路２３において、排気浄化装置２８の上流側の部位には排気還流通路３３の他方の端部が接続されている。そして、排気還流通路３３に設けられる排気還流弁３５が開弁している状態になると、排気通路２３における排気浄化装置２８の上流側の排気が該排気還流通路３３を通じて吸気通路２１に還流される。

一般に、ＥＧＲ装置が設けられた内燃機関１１は、吸気に還流させる排気である外部ＥＧＲ量を排気圧、吸気圧、排気温度、及び排気還流弁３５開度から算出するが、同算出に推定された吸気圧や排気圧を用いることができる。また、ＥＧＲ装置が設けられた内燃機関１１は、吸気圧や排気圧に脈動が生じやすくなるなど、吸気圧や排気圧の変動が大きくなる傾向にあるが、筒内圧力センサ４５の検出値に基づいて吸気圧や排気圧を推定することにより、圧力センサの数を減らしても排気還流弁３５開度の調整を含む機関制御を好適に行うことができるようにもなる。

・上記第１の実施形態では、筒内圧力センサ４５が気筒１２を形成するシリンダの側面に設けられている場合について例示した。しかしこれに限らず、筒内圧力センサは、筒内圧測定が可能であれば、シリンダの上面側、例えばシリンダヘッド等、シリンダの側面以外の位置に設けられていてもよい。これにより、筒内圧力センサの配置位置の自由度が高められ、この内燃機関の状態推定装置の適用可能性の向上が図られるようになる。

・上記第１の実施形態では、複数の吸入行程Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３や複数の排気行程Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を１サイクル（７２０°ＣＡ）中にそれぞれ２４０°ＣＡの等間隔で配置している場合について例示した。しかしこれに限らず、複数の吸入行程または複数の排気行程を１サイクル中に等間隔で配置していなくてもよい。これにより、内燃機関の状態推定装置の適用可能性の拡大が図られるようになる。

・上記第１の実施形態では、第２又は第３の吸入行程Ｉ２，Ｉ３における吸気圧を第１の吸入行程Ｉ１に対応する気筒１２の燃焼室１４内の筒内圧に基づいて推定する場合について例示した。しかしこれに限らず、第１〜第３の吸入行程に対応する吸気通路の吸気圧は相互に類似していることから、第２の吸入行程Ｉ２に対応する気筒の燃焼室内で測定された圧力に基づいて第１又は第３の吸入行程における吸気圧を推定してもよい。又は、第３の吸入行程Ｉ３に対応する気筒の燃焼室内で測定された圧力に基づいて第１又は第２の吸入行程における吸気圧を推定してもよい。

・上記第１の実施形態では、第２又は第３の排気行程Ｅ２，Ｅ３における排気圧を第１の排気行程Ｅ１に対応する気筒１２の燃焼室１４内の筒内圧に基づいて推定する場合について例示した。しかしこれに限らず、第１〜第３の排気行程に対応する排気通路の排気圧は相互に類似していることから、第２の排気行程Ｅ２に対応する気筒の燃焼室内で測定された圧力に基づいて第１又は第３の排気行程における排気圧を推定してもよい。又は、第３の排気行程Ｅ３に対応する気筒の燃焼室内で測定された圧力に基づいて第１又は第２の排気行程における排気圧を推定してもよい。

・上記第１の実施形態では、３つの気筒に接続された吸気通路２１の吸気圧や排気通路２３に接続された排気圧を、１つ気筒の筒内圧ＣＰの繰り返しであることに基づいて推定したが、このような推定は行わなくてもよい。例えば、各気筒に筒内圧力センサを設けるようにすれば、各気筒の吸入行程及び排気行程において各気筒の筒内圧力センサに基づいて吸気圧や排気圧を推定することができるようになる。

・上記第各実施形態では、各気筒１２に筒内圧力センサ４５，４５Ａが設けられている場合について例示した。しかし、これに限らず、多気筒の場合、吸気通路を共有する気筒の一部である、例えば１つの気筒からなる代表する気筒に筒内圧力センサを設けるようにしてもよい。この場合、代表する気筒の吸入行程において同気筒の筒内圧力センサから推定される吸気圧を、他の気筒の吸入行程における吸気圧として推定すればよい。同様に、多気筒の場合、排気通路を共有する気筒の一部である、例えば１つの気筒からなる代表する気筒に筒内圧力センサを設けるようにするようにしてもよい。この場合、代表する気筒の排気行程において同気筒の筒内圧力センサから推定される排気圧を、他の気筒の排気行程における排気圧として推定すればよい。これにより、吸気圧や排気圧を測定する圧力センサだけでなく、内燃機関に設ける筒内圧力センサの数をより一層減少させることができるようになる。

・上記各実施形態では、推定した吸気圧や排気圧を機関制御に用いる場合について例示した。しかしこれに限らず、吸気圧及び排気圧は上述の他の機関制御やその他の制御などに用いてもよい。例えば、内燃機関に過給機であるターボチャージャーが設けられている場合、筒内圧に基づいて推定された吸気圧や排気圧に基づいてターボチャージャー流量を算出するようにしてもよい。また、筒内圧に基づいて推定された排気圧に基づいて排気通路に設けられている排気成分を浄化する触媒の詰まりを判定するようにしてもよい。さらに、筒内圧に基づいて推定された排気圧に基づいて排気通路に設けられた、排気中の微粒子物質（ＰＭ）を集塵するディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ）の詰まりを判定するようにしてもよい。

・上記各実施形態では、内燃機関１１は燃焼室１４に吸入空気と噴射燃料とからなる混合気が吸入される、いわゆるポート噴射である場合について例示したが、これに限らず、内燃機関は燃焼室内に直接燃料が噴射される、いわゆる直噴であっても、ポート噴射と直噴との組み合わせであってもよい。これにより、この内燃機関の状態推定装置の適用範囲の拡大が図られるようになる。

・上記各実施形態では、内燃機関は、Ｖ型６気筒機関である場合について例示したがこれに限らず、内燃機関は、気筒の数が単気筒であっても、２，３，４，５気筒や６気筒より多い多気筒であってもよい。また、気筒配列が直列型、並列型及び水平対向型などＶ型以外の配列であってもよい。これにより、内燃機関の気筒数や気筒配列にかかわらず、吸気圧や排気圧を測定する圧力センサを減少させることができることなどから、この内燃機関の状態推定装置の適用範囲の拡大が図られるようになる。

例えば、直列多気筒機関であれば、複数の気筒のうちの一つを代表する気筒として、同代表する気筒の筒内圧力センサを吸気圧や排気圧の推定に用いたり、代表する気筒にのみ筒内圧力センサを設けるようにしてもよい。これにより、内燃機関の気筒数や気筒配列にかかわらず、この内燃機関の状態推定装置は、気筒に設ける気筒内圧力センサを減少させることもできるようになる。

１１…内燃機関、１２…気筒、１３…ピストン、１４…燃焼室、１５…燃料噴射弁、１６…点火プラグ、２０Ａ…スロットルバルブ、２１…吸気通路、２１ａ…吸気ポート、２２…吸気バルブ、２３…排気通路、２３ａ…排気ポート、２４…排気バルブ、２６…吸気カムシャフト、２７…排気カムシャフト、２８…排気浄化装置、３１…クランクシャフト、３３…排気還流通路、３５…排気還流弁、３６…ＥＧＲクーラ、４１…ＥＣＵ（電子制御ユニット）、４２…クランクポジションセンサ、４３…吸気カムポジションセンサ、４４…排気カムポジションセンサ、４５，４５Ａ…筒内圧力センサ、４６…シフトポジションセンサ、４７…アクセルポジションセンサ、４８…ブレーキセンサ、４９…車速センサ、Ｐ０…大気圧、ＢＤＣ…下死点、ＴＤＣ…上死点。

Claims (5)

1. 気筒内の圧力を測定する筒内圧力センサを備え、
   当該気筒の吸気ポートを開閉する吸気弁、及び当該気筒の排気ポートを開閉する排気弁の開弁期間中における前記筒内圧力センサの検出値に基づいて、内燃機関の吸気圧及び排気圧の少なくとも一方を機関状態として推定するものであって、
   前記筒内圧力センサの検出値に基づく圧力波形の繰り返し特性を利用して、前記吸気圧及び排気圧の少なくとも一方の任意の期間の圧力を機関状態として推定する
   ことを特徴とする内燃機関の状態推定装置。
2. 前記筒内圧力センサは、気筒を形成するシリンダ側面にあって、ピストンの上死点よりも燃焼室よりの位置に配置されている
   請求項１記載の内燃機関の状態推定装置。
3. 前記筒内圧力センサは、気筒を形成するシリンダ側面にあって、ピストンが上死点に到達したときにピストンによって覆われる位置に配置されている
   請求項１記載の内燃機関の状態推定装置。
4. 前記内燃機関はＶ型多気筒機関であり、前記筒内圧力センサは、バンク別に、代表する一つの気筒に対して設けられている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の状態推定装置。
5. 前記内燃機関は直列多気筒機関であり、前記筒内圧力センサは、代表する一つの気筒に対して設けられている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の状態推定装置。

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