JP6490240B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
本発明は内燃機関に関する。
JP2015−34780Aには、内燃機関の排気ターボチャージャのコンプレッサホイールのような複数のブレードを有する回転体の角速度を、各ブレードの通過を検出する渦電流センサの出力値に基づいて算出するものが開示されている。
しかしながら、算出されたコンプレッサホイールの角速度に基づいて内燃機関の制御装置によって種々の演算を実施しようとすると、内燃機関の制御装置の演算負荷が大きくなるという問題点がある。
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、内燃機関の制御装置の演算負荷を抑制しつつ、コンプレッサホイールの角速度に基づいて種々の演算を実施できるようにすることを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のある態様による内燃機関は、複数の気筒を有する機関本体と、機関本体の各気筒から排出される排気のエネルギによって駆動されると共に、少なくとも1つのブレードを有して当該機関本体の各気筒に吸入される空気を圧縮するコンプレッサホイールと、コンプレッサホイールを収容するハウジング内の所定位置を、当該コンプレッサホイールのブレードが通過したことを検出する通過検出センサと、通過検出センサの検出結果に基づいてコンプレッサホイールの角速度を算出すると共に、当該コンプレッサホイールの角速度に基づいて機関本体の各気筒の燃焼エネルギ又は各気筒の燃焼間隔の少なくとも一方を算出するように構成された燃焼状態推定装置と、燃焼状態推定装置によって算出された各気筒の燃焼エネルギ又は各気筒の燃焼間隔の少なくとも一方に基づいて、機関本体の各気筒の燃焼に関するパラメータを制御するように構成された制御装置と、を備える。
本発明のこの態様による内燃機関によれば、制御装置の演算負荷を抑制しつつ、コンプレッサホイールの角速度に基づいて、機関本体の各気筒の燃焼エネルギ又は各気筒の燃焼間隔の少なくとも一方を算出することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
<全体構成>
図1は、本発明の一実施形態による内燃機関100の概略構成図である。
図1は、本発明の一実施形態による内燃機関100の概略構成図である。
内燃機関100は、機関本体1と、燃料噴射装置2と、吸気装置3と、排気装置4と、内燃機関100を制御するための電子制御ユニット200と、を備える。内燃機関100は、機関本体1が複数の気筒を有するいわゆる多気筒内燃機関である。
機関本体1は、各気筒10に形成される燃焼室内で燃料を燃焼させて、例えば車両などを駆動するための動力を発生させる。本実施形態では、機関本体1は4つの気筒10を有しているが、気筒数が複数個あれば気筒数は4つに限られるものではない。また本実施形態では、機関本体1は燃焼室内で燃料を圧縮自己着火燃焼させているが、燃料の燃焼方式も特に限られるものではなく、燃焼室内で燃料を火花点火燃焼させても良い。
燃料噴射装置2は、電子制御式の燃料噴射弁20と、コモンレール21と、サプライポンプ22と、燃料タンク23とを備える。
燃料噴射弁20は、各気筒10の燃焼室に臨むように各気筒10に1つ設けられる。燃料噴射弁20の開弁時間(噴射時間)及び開弁時期(噴射時期)は電子制御ユニット200からの制御信号によって変更され、燃料噴射弁20が開弁されると燃料噴射弁20から燃焼室内に燃料が噴射される。各燃料噴射弁20は、インジェクションパイプ24を介してコモンレール21に接続される。
コモンレール21は、圧送パイプ25を介して燃料タンク23に接続される。圧送パイプ25の途中には、燃料タンク23に貯蔵された燃料を加圧してコモンレール21に供給するためのサプライポンプ22が設けられる。コモンレール21は、サプライポンプ22から圧送されてきた高圧燃料を一時的に貯蔵する。燃料噴射弁20が開弁されると、コモンレール21に貯蔵された高圧燃料がインジェクションパイプ24を介して燃料噴射弁20から燃焼室内に噴射される。
サプライポンプ22は、吐出量を変更することができるように構成されており、サプライポンプ22の吐出量は、電子制御ユニット200からの制御信号によって変更される。サプライポンプ22の吐出量を制御することで、コモンレール21内の燃料圧力、すなわち燃料噴射弁20の噴射圧が制御される。
吸気装置3は、筒内に吸気を導くための装置であって、吸気通路30と、吸気マニホールド31と、EGR通路32と、を備える。
吸気通路30は、一端がエアクリーナ34に接続され、他端が吸気マニホールド31の吸気コレクタ31aに接続される。吸気通路30には、上流から順にエアフローメータ211、ターボチャージャ5のコンプレッサ6、インタークーラ35及びスロットル弁36が設けられる。
エアフローメータ211は、エアクリーナ34を介して吸気通路30に吸入された吸気の流量(以下「吸気量」という。)を検出する。
コンプレッサ6は、コンプレッサハウジング61と、コンプレッサハウジング61内に配置されたコンプレッサホイール62と、を備える。コンプレッサホイール62は、シャフト8を介して同軸上に取り付けられたターボチャージャ5のタービンホイール72によって回転駆動され、コンプレッサハウジング61内に流入してきた吸気を圧縮して吐出する。
また本実施形態では、コンプレッサハウジング61に通過検出センサ301が取り付けられている。通過検出センサ301の出力信号は、アンプユニット300に入力される。アンプユニット300は、通過検出センサ301の出力結果に基づいてコンプレッサホイール62の角速度を算出すると共に、コンプレッサホイール62の角速度に基づいて、機関本体1の各気筒10の燃焼エネルギや各気筒10の燃焼間隔といった各気筒10の燃焼状態の推定することができるように構成されている。通過検出センサ301及びアンプユニット300の詳細については、図2以降を参照して後述する。
インタークーラ35は、コンプレッサ6によって圧縮されて高温になった吸気を、例えば走行風や冷却水などによって冷却するための熱交換器である。
スロットル弁36は、吸気通路30の通路断面積を変化させることで、吸気マニホールド31に導入される吸気量を調整する。スロットル弁36は、スロットルアクチュエータ(図示せず)によって開閉駆動され、スロットルセンサ(図示せず)によってその開度(スロットル開度)が検出される。
吸気マニホールド31は、機関本体11に接続され、吸気通路30から流入してきた吸気を各気筒10に均等に分配する。
EGR通路32は、排気マニホールド41と吸気マニホールド31の吸気コレクタ31aとを連通し、各気筒10から排出された排気の一部を圧力差によって吸気コレクタ31aに戻すための通路である。以下、EGR通路32に流入した排気のことを「EGRガス」という。EGRガスを吸気コレクタ31a、ひいては各気筒10に還流させることで、燃焼温度を低減させて窒素酸化物(NOx)の排出を抑えることができる。EGR通路32には、上流から順にEGRクーラ37と、EGR弁38と、が設けられる。
EGRクーラ37は、EGRガスを、例えば走行風や冷却水などによって冷却するための熱交換器である。
EGR弁38は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット200によって制御される。EGR弁38の開度を制御して吸気コレクタ31aに還流させるEGRガスの流量を調節することで、EGR率(吸気中に占めるEGRガスの割合)が制御される。
排気装置4は、筒内から排気を排出するための装置であって、排気マニホールド41と、排気通路42と、を備える。
排気マニホールド41は、機関本体1に接続されており、各気筒10から排出された排気を纏めた上で排気通路42に導入する。
排気通路42には、上流から順にターボチャージャ5のタービン7と、排気後処理装置43と、が設けられる。
タービン7は、タービンハウジング71と、タービンハウジング71内に配置されたタービンホイール72と、を備える。タービンホイール72は、タービンハウジング71内に流入してきた排気のエネルギによって回転駆動され、同軸上に取り付けられたコンプレッサホイール62を駆動する。
排気後処理装置43は、排気を浄化した上で外気に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の触媒や有害物質を捕集するフィルタなどを備える。
電子制御ユニット200は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バスによって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、CPU(マイクロプロセッサ)、入力ポート及び出力ポートを備える。
電子制御ユニット200には、前述したエアフローメータ211の出力信号や、機関回転数を算出するための信号として、機関本体1のクランクシャフトが例えば15°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ212などの出力信号が、入力ポートを介して入力されている。このように電子制御ユニット200には、内燃機関100を制御するために必要な各種センサの出力信号が、入力ポートを介して入力されている。
また電子制御ユニット200には、燃料噴射弁20や燃料ポンプ22、スロットル弁36のステップモータ、EGR制御弁38などの各制御部品が、出力ポートを介してそれぞれ電気的に接続されている。
また電子制御ユニット200は、アンプユニット300とCAN(Controller Area Network)通信線によって接続されており、CAN通信によって互いにデータを送受信できるようになっている。本実施形態では、アンプユニット300で推定された機関本体1の各気筒10の燃焼状態が電子制御ユニット200に送信されるようになっている。そして本実施形態による電子制御ユニット200は、アンプユニットから送信されてきた機関本体1の各気筒10の燃焼状態に応じて、各気筒10の燃焼に関するパラメータ、すなわち燃焼噴射量や吸入空気量、EGRガス量などを制御できるように構成されている。
<コンプレッサの構成>
図2Aは、コンプレッサ6の概略断面図である。図2Bは、コンプレッサホイール(インペラ)62の概略平面図である。
図2Aは、コンプレッサ6の概略断面図である。図2Bは、コンプレッサホイール(インペラ)62の概略平面図である。
図2Aに示すように、コンプレッサホイール62は、ターボチャージャ5のタービンホイール72(図1参照)にシャフト8を介して連結される中央本体621と、中央本体621の表面上からコンプレッサホイール62の径方向及び軸線方向に延びる複数のブレード622と、を備える。中央本体621は、その軸線Lがシャフト8の軸線と同軸になるように、シャフト8に固定される。
コンプレッサホイール62は、軸線L周りに回転できるように、コンプレッサハウジング61の内部に配置される。また、コンプレッサホイール62は、回転したときに、ブレード622の径方向端部がコンプレッサハウジング61の内周面と僅かな隙間を開けた状態でこの内周面に沿って周方向に移動するように、コンプレッサハウジング61の内部に配置される。
また図2Bに示すように、本実施形態によるコンプレッサホイール62は、等間隔に配置された同一形状の12枚のブレード622を有する。図2Bには、説明を分かりやすくするために、ブレード622にそれぞれB1からB12までの番号を付してある。なお、ブレード622の枚数は12枚に限定されるものではなく、12枚より多くても12枚より少なくてもよい。本実施形態では、各ブレード622は、コンプレッサホイール62の径方向及び軸線方向に延びるように構成されている。しかしながら、複数のブレード622は、コンプレッサ6に流入した流体を圧縮することができれば、湾曲した形状等、如何なる形状であっても良い。また各ブレード622は、必ずしも等間隔に配置されていなくてもよく、ブレード622の一部又は全てが他のブレードと異なる形状であっても良い。
図2Aに戻り、コンプレッサハウジング61は、コンプレッサハウジング61の中央を通って延びる中央通路611と、中央通路611の周囲に延びる環状通路612とを有する。中央通路611の一方の端部は開いており、流体が流入する入口613を構成する。また、中央通路611の他方の端部の周りに環状通路612が配置され、この環状通路612の内側において中央通路611内にコンプレッサホイール62が配置される。したがって、入口613から流入した流体は中央通路611を通ってコンプレッサホイール62を介して環状通路612に流出する。
<通過検出センサ>
またコンプレッサハウジング61には、コンプレッサハウジング61内の所定の角度位置(所定位置)をブレード622が通過したことを検出するために、通過検出センサ301が取り付けられる。通過検出センサ301は、通過検出センサ301の検知部の前をブレード622が通過したことを検出する。本実施形態では、通過検出センサ301は、コンプレッサホイール62のブレード622の径方向端面622aに対面するように且つブレード622の径方向端面622aの法線方向と略平行となるように、コンプレッサハウジング61に取り付けられている。
またコンプレッサハウジング61には、コンプレッサハウジング61内の所定の角度位置(所定位置)をブレード622が通過したことを検出するために、通過検出センサ301が取り付けられる。通過検出センサ301は、通過検出センサ301の検知部の前をブレード622が通過したことを検出する。本実施形態では、通過検出センサ301は、コンプレッサホイール62のブレード622の径方向端面622aに対面するように且つブレード622の径方向端面622aの法線方向と略平行となるように、コンプレッサハウジング61に取り付けられている。
また、通過検出センサ301は、コンプレッサホイール62の入口側に位置するように、コンプレッサハウジング61に取り付けられる。本実施形態では、通過検出センサ301は、コンプレッサホイール62のブレード622の入口側端面622bに隣接するように、コンプレッサハウジング61に取り付けられている。ここで、コンプレッサホイール62のブレード622は、入口側から出口側に向かって徐々に温度が高くなる。これは、コンプレッサホイール62を介して流れる流体が入口側から出口側に向かって加圧されるためである。本実施形態では、通過検出センサ301はコンプレッサホイール62の入口側に位置するようにハウジング3に取り付けられているため、比較的低温の領域に配置される。このため、通過検出センサ301への熱の影響を低減することができる。
アンプユニット300には、通過検出センサ301の出力値が入力される。アンプユニット300は、通過検出センサ301の出力値を増幅させるアンプや、アンプによって増幅させた出力値を利用してコンプレッサホイール62の角速度などを算出するCPU(マイクロプロセッサ)などを一体化したものである。本実施形態では通過検出センサ301とアンプユニット300とを別体としているが、通過検出センサ301にアンプユニット300を内蔵し、通過検出センサ301とアンプユニット300とを一体化しても良い。
また、本実施形態では、通過検出センサ301として渦電流センサが用いられる。渦電流センサは、センサ検知部と計測対象の金属物質との間の距離に応じた電圧値を出力するセンサである。以下、図3を参照して、渦電流センサの検出原理について簡単に説明する。
渦電流センサは、その検知部に、交流励磁電流により磁界を発生させるコイル301aを有する。コイル301aが発生させる磁界Xをブレード622が通過すると、コイル301aの発生させる磁界を打ち消すようにブレード622に渦電流Yが発生する。ブレード622に発生する渦電流により磁界Xの強さが変化し、この結果、コイル301aに流れる電流値が変化する。したがって、渦電流センサによってコイル301aに流れる電流値の変化に起因する電圧値の変化を検出することで、ブレード622が通過したか否かを検出することができる。具体的には、渦電流センサの出力値がピークになったときを、ブレード622が渦電流センサ5の検知部の前を(すなわち、コンプレッサハウジング61内の所定の角度位置を)通過したときであると判定できる。
なお、ブレード622の通過を検出する通過検出センサ301としては、ブレード622の通過を検出することができれば、如何なるセンサを用いてもよい。このようなセンサとしては、例えば、電磁ピックアップ(MPU)センサが挙げられる。MPUセンサは、その検知部内にマグネットと検出コイルとを有するセンサである。斯かるMPUセンサでは、磁性体であるブレードがMPUセンサに近づいたり離れたりすると、検出コイルを貫通する磁束が変化し、これに伴って検出コイルの誘導起電力が変化する。これにより、MPUセンサの検知部の前におけるブレード622の通過を検出することができる。以下の説明では、通過検出センサ301として渦電流センサを用いた場合について説明する。
図4A及び図4Bは、通過検出センサ301として渦電流センサを用いた場合の通過検出センサ301の出力値(電圧値)の推移を示す図である。図4Aは、コンプレッサホイール62の角速度が比較的遅い場合(例えばコンプレッサホイール62の回転数が20万[rpm])における出力値の推移を、図4Bは、コンプレッサホイール62の角速度が比較的速い場合(例えばコンプレッサホイール62の回転数が40万[rpm])における出力値の推移をそれぞれ示している。
通過検出センサ301として渦電流センサを用いた場合は、通過検出センサ301の検知部とその前を通過する物体(本実施形態ではブレード622)との間の距離が短くなるほど出力値が大きくなる。したがって、通過検出センサ301の検知部の前をブレード622が通過すると、通過検出センサ301の出力値が急激に増大する。よって、図4A及び図4Bにおける凸状に変化した出力はブレード622が通過したことを意味している。なお、図4A及び図4Bの番号B1〜B12は、通過検出センサ301の検知部の前を通過した各ブレード622の番号である。
図4Aに示したように、コンプレッサホイール62の角速度が比較的遅い場合には、ブレード622の通過に伴って通過検出センサ301の出力値が急激に上昇及び下降すると共に、2つの隣り合うブレード622が通過する間の期間は低い値で一定に維持される。
一方、図4Bに示したように、コンプレッサホイール62の角速度が比較的速い場合には、1つのブレード622の通過に伴って上昇した通過検出センサ301の出力値が下がりきる前に、次のブレード622の通過に伴って通過検出センサ301の出力値が上昇し始める。したがって、図4Bに示したように、2つの隣り合うブレード622が通過する間の期間においても通過検出センサ301の出力値は一定に維持されない。しかしながら、この場合であっても、通過検出センサ301の出力値が最大になった時期がブレード622の通過を示していることから、通過検出センサ301の検知部の前をブレード622が通過したことを正確に検出することができる。
<通過検出センサを用いたコンプレッサホイールの角速度算出方法の一例>
このように通過検出センサ301は、通過検出センサ301の検知部の前をブレード622が通過したことを正確に検出することができる。そのため、通過検出センサ301を用いたコンプレッサホイール62の角速度の算出方法の一例として、通過検出センサ301の前を各ブレード622のうちの任意の1つのブレード(以下「基準ブレード」という。)が通過してから、当該基準ブレードの次に通過検出センサ301の前を通過するブレードが通過するまでの時間間隔に基づいて、通過検出センサ301の前を各ブレード622が通過するごとにコンプレッサホイール62の角速度を算出する方法が挙げられる。
このように通過検出センサ301は、通過検出センサ301の検知部の前をブレード622が通過したことを正確に検出することができる。そのため、通過検出センサ301を用いたコンプレッサホイール62の角速度の算出方法の一例として、通過検出センサ301の前を各ブレード622のうちの任意の1つのブレード(以下「基準ブレード」という。)が通過してから、当該基準ブレードの次に通過検出センサ301の前を通過するブレードが通過するまでの時間間隔に基づいて、通過検出センサ301の前を各ブレード622が通過するごとにコンプレッサホイール62の角速度を算出する方法が挙げられる。
以下では、図4Aを参照して、この通過検出センサ301を用いたコンプレッサホイール62の角速度の算出方法の一例について説明する。
図4Aに示した例では、第1ブレードB1が通過検出センサ301の前を通過することによって通過検出センサ301の出力値がピークを示すときを時刻t1とする。同様に、第2ブレードB2、第3ブレードB3、第4ブレードB4が通過検出センサ301の前を通過することによって通過検出センサ301の出力値がピークを示すときをそれぞれ時刻t2、t3、t4とする。
この場合、通過検出センサ301の前を第1ブレードB1が通過してから第2ブレードB2が通過するまでの時間間隔Δt1は、t2−t1となる。一方、本実施形態では、12枚のブレードが等間隔に設けられているため、第1ブレードB1と第2ブレードB2との間の角度間隔は基本的に(2π/12)[rad]となる。したがって、通過検出センサ301の前を第1ブレードB1が通過してから第2ブレードB2が通過するまでのコンプレッサホイール62の瞬間的な角速度(以下「第1ブレード通過後の瞬間的な角速度」という。)ω1[rad/s]は、2π/(12×Δt1)となる。
同様に、通過検出センサ301の前を第2ブレードB2が通過してから第3ブレードB3が通過するまでの時間間隔Δt2はt3−t2となり、第3ブレードB3が通過してから第4ブレードB4が通過するまでの時間間隔Δt3はt4−t3となる。したがって、通過検出センサ301の前を第2ブレードB2が通過してから第3ブレードB3が通過するまでのコンプレッサホイール62の瞬間的な角速度ω2、すなわち第2ブレード通過後の瞬間的な角速度ω2は、2π/(12×Δt2)となる。同様に、通過検出センサ301の前を第3ブレードB3が通過してから第4ブレードB4が通過するまでのコンプレッサホイール62の瞬間的な角速度ω3、すなわち第3ブレード通過後の瞬間的な角速度ω3は、2π/(12×Δt3)となる。
したがって、ブレード622の番号をiで表すと、通過検出センサ301の出力に基づいて隣り合う対のブレード622(すなわち、第iブレードBiと第(i+1)ブレードB(i+1))が通過検出センサ301の前を通過する間の時間間隔Δtiを算出すれば、時間間隔Δtiと、隣り合う対のブレード622間の角度間隔とに基づいて、第iブレードBi通過後の瞬間的な角速度ωiを算出することができる。
具体的には、下記式(1)のように,隣り合う対のブレード622間の角度間隔αiを、これらブレード622間を通過する時間間隔Δtiで除算することによって第iブレード通過後の瞬間的な角速度ωiを算出することができる。
ωi=αi/Δti …(1)
また本実施形態のように、各ブレード622が周方向に等間隔に設けられたコンプレッサホイール62の場合であれば、ブレード622の総枚数をpとすると、角度間隔αiは(2π/p)となる。したがって、第iブレード通過後の瞬間的な角速度ωiは、下記式(2)により算出することができる。
ωi=2π/(p×Δti) …(2)
ところが、このような算出方法でコンプレッサホイール62の角速度を算出した場合、すなわち通過検出センサ301の前を基準ブレードが通過してから、当該基準ブレードの次に通過検出センサ301の前を通過するブレードが通過するまでの時間間隔Δtiに基づいてコンプレッサホイール62の角速度を算出した場合、実際の角速度と、算出した角速度と、の間に誤差(算出誤差)が生じることがわかった。
<ブレードの形状誤差>
図5は、コンプレッサホイール62を一定の角速度で回転させた場合に、上述の算出方法でコンプレッサホイール62の角速度を算出したときの算出結果の一例を示す図である。図5において、横軸がブレード622の番号であり、縦軸は対応するブレード番号のブレード通過後の瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度を示す。
図5は、コンプレッサホイール62を一定の角速度で回転させた場合に、上述の算出方法でコンプレッサホイール62の角速度を算出したときの算出結果の一例を示す図である。図5において、横軸がブレード622の番号であり、縦軸は対応するブレード番号のブレード通過後の瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度を示す。
図5に示した例では、コンプレッサホイール62は一定の角速度で回転させられている。したがって、このとき算出される瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度も一定の値になるはずである。しかしながら、実際には図5に示したように、算出される瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度は必ずしも各ブレード622の通過後において一定にならない。例えば、図5に示した例では、1番ブレード通過後の瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度に対して2番ブレード通過後の瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度は遅くなっている。
このように、算出された瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度が一定の値にならない原因の1つとして、コンプレッサホイール62のブレード622の形状誤差(形状公差範囲内での誤差)が挙げられる。すなわち、コンプレッサホイール62の各ブレード622には、製造誤差や経年変化によって形状誤差が生じる場合があり、この形状誤差によって、瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度を算出した場合に誤差が生じる。以下、図6を参照して、算出された瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度とブレード622の形状誤差との関係について説明する。
図6は、ブレード622に形状誤差が生じたコンプレッサホイール62の概略平面図である。図6の破線は、コンプレッサホイール62のブレード622が設計通りに形成されていた場合のブレード622の形状を示している。図6に示した例では、第2ブレードB2と第10ブレードB10は、設計上のブレード形状に対して形状誤差を有していることがわかる。具体的には、第2ブレードB2が、その設計上の形状に対して周方向において第1ブレード側にシフトした形状になっている。また、第10ブレードB10が、その設計上の形状に対して径方向外側にシフトした形状になっている。
このようにブレード形状に誤差が生じると、ブレード間の角度間隔αが変化する。図6に示した例では、第2ブレードB2の形状が設計上の形状に対して周方向にシフトした形状となっている。この結果、通過検出センサ301と対面する領域において、第1ブレードB1と第2ブレードB2との間の実際の角度間隔が設計値β1よりも小さいα1となっている。逆に、第2ブレードB2と第3ブレードB3との間の実際の角度間隔が設計値β2よりも大きいα2となっている。したがって、第1ブレードB1と第2ブレードB2との間の実際の角度間隔α1は、第2ブレードB2と第3ブレードB3との間の実際の角度間隔α2よりも小さくなっている。
一方、角速度を算出するにあたっては、ブレード間の実際の角度間隔ではなく、設計値が用いられる。このため、コンプレッサホイール62が一定の角速度で回転していても、第1ブレードB1から第2ブレードB2までの時間間隔Δt1に基づく瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度ω1は、第2ブレードB2から第3ブレードB3までの時間間隔Δt2に基づく瞬間的なコンプレッサホイール62の角速度ω2よりも速いものとして算出される。この結果、図5に示したように、第1ブレードB1通過後の瞬間的な角速度が第2ブレードB2通過後の瞬間的な角速度よりも速いものとして算出される。
また、図6に示した例では、第10ブレードB10が設計上の形状に対して周方向外側にシフトした形状となっている。この結果、第9ブレードB9と第10ブレードB10との間の実際の角度間隔が設計値β9よりも小さいα9となっている。また、第10ブレードB10と第11ブレードB11との間の実際の角度間隔が設計値β10よりも大きいα10となっている。この結果、コンプレッサホイール62が一定の角速度で回転していても、第9ブレードB9通過後の瞬間的な角速度が第10ブレードB10通過後の瞬間的な角速度よりも速いものとして算出される。
なお、図6には、ブレード622の形状が周方向又は径方向に全体的にシフトした形状誤差の例を示した。しかしながら、ブレード622に生じる形状誤差には、コンプレッサホイール62の軸線方向における誤差や、ブレードの湾曲形状における誤差等、上記の形状誤差以外にも様々な誤差が含まれる。そして、このような形状誤差がブレード622に生じると、コンプレッサホイール62の角速度を正確に算出することができなくなる。
<形状誤差によって生じる算出誤差への対応>
そこで本実施形態では、上述した算出方法のように、通過検出センサ301の前を基準ブレードが通過してから当該基準ブレードの次に通過検出センサ301の前を通過するブレードが通過するまでの時間間隔、すなわち隣り合うブレード間を通過するのに要する時間に基づいてコンプレッサホイール62の角速度を算出するのではなく、通過検出センサ301の前を基準ブレードが通過してから当該基準ブレードが次に通過検出センサ301の前を通過するまでの時間間隔、すなわちコンプレッサホイール62が1回転するのに要する時間に基づいてコンプレッサホイール62の角速度を算出する。
そこで本実施形態では、上述した算出方法のように、通過検出センサ301の前を基準ブレードが通過してから当該基準ブレードの次に通過検出センサ301の前を通過するブレードが通過するまでの時間間隔、すなわち隣り合うブレード間を通過するのに要する時間に基づいてコンプレッサホイール62の角速度を算出するのではなく、通過検出センサ301の前を基準ブレードが通過してから当該基準ブレードが次に通過検出センサ301の前を通過するまでの時間間隔、すなわちコンプレッサホイール62が1回転するのに要する時間に基づいてコンプレッサホイール62の角速度を算出する。
このようにコンプレッサホイール62が1回転するのに要する時間に基づいてコンプレッサホイール62の角速度を算出することで、たとえブレード622に形状誤差が生じたとしても、その形状誤差の影響を受けることなくコンプレッサホイール62の角速度を算出することができる。例えば基準ブレードを第1ブレードB1とした場合、図6に示した例のように、第1ブレードB1と第2ブレードB2との間の実際の角度間隔α1や第9ブレードB9と第10ブレードB10との間の実際の角度間隔α9がそれぞれの設計値β1、β9と異なっていても、第1ブレードB1から第1ブレードB1まで角度間隔は常に2π[rad]で一定となる。また、第1ブレードB1自体が形状変化したとしても、第1ブレードB1から第1ブレードB1まで角度間隔は常に2π[rad]で一定となる。
そのため、コンプレッサホイール62が1回転するのに要する時間に基づいてコンプレッサホイール62の角速度を算出することで、ブレード622の形状誤差の影響を受けることなくコンプレッサホイール62の角速度を正確に算出することができる。
<瞬間的な角速度の利用>
そして発明者らの鋭意研究の結果、コンプレッサホイール62の角速度を正確に算出することができるようになると、算出したコンプレッサホイール62の角速度に基づいて、機関本体1の各気筒10の燃焼状態を正確に推定できるようになることがわかった。以下、このコンプレッサホイール62の角速度に基づいて、機関本体1の各気筒10の燃焼状態を推定する方法について説明する。
そして発明者らの鋭意研究の結果、コンプレッサホイール62の角速度を正確に算出することができるようになると、算出したコンプレッサホイール62の角速度に基づいて、機関本体1の各気筒10の燃焼状態を正確に推定できるようになることがわかった。以下、このコンプレッサホイール62の角速度に基づいて、機関本体1の各気筒10の燃焼状態を推定する方法について説明する。
<ターボ回転体の運動エネルギの算出>
ターボチャージャ5の内部では、コンプレッサホイール62、タービンホイール72及びシャフト8が一体となって回転する。これら3つを一体のものとしてターボ回転体と称すると、このターボ回転体の運動エネルギKEは、下記式(3)によって算出することができる。
ターボチャージャ5の内部では、コンプレッサホイール62、タービンホイール72及びシャフト8が一体となって回転する。これら3つを一体のものとしてターボ回転体と称すると、このターボ回転体の運動エネルギKEは、下記式(3)によって算出することができる。
KE=I×ω2/2 …(3)
式(3)において、Iはターボ回転体の慣性モーメントであり、ωはターボ回転体の角速度である。ターボ回転体の慣性モーメントIは、ターボ回転体の形状及び材質から予め計算等によって求めておくことができる。そしてターボ回転体の角速度は、コンプレッサホイール62の角速度に等しいことから、コンプレッサホイール62の角速度を求めることにより、当該角速度を求めた時点におけるターボ回転体の運動エネルギを算出することができる。
そこで本実施形態では、内燃機関100の運転中に、アンプユニット300によって算出されたコンプレッサホイール62の角速度ωに基づいて、式(3)によりターボ回転体の運動エネルギを算出する。アンプユニット300によって、コンプレッサホイール62の形状誤差の影響を受けることなくコンプレッサホイール62の角速度ωを正確に推定することができるので、ターボ回転体の運動エネルギを正確に算出することができる。
<燃焼状態の推定>
このように、ターボ回転体の運動エネルギを正確に算出することができると、算出した運動エネルギに基づいて、各気筒10の燃焼室で燃料を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギや各気筒間の燃焼間隔など、各気筒10の燃焼状態を推定することができる。以下では、ターボ回転体の運動エネルギと各気筒10の燃焼状態との関係について説明する。
このように、ターボ回転体の運動エネルギを正確に算出することができると、算出した運動エネルギに基づいて、各気筒10の燃焼室で燃料を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギや各気筒間の燃焼間隔など、各気筒10の燃焼状態を推定することができる。以下では、ターボ回転体の運動エネルギと各気筒10の燃焼状態との関係について説明する。
図7は、内燃機関100の1サイクルにおけるターボ回転体の角速度と運動エネルギとの推移を示す図である。図中の横軸は機関本体1のクランク角を示している。図7中の実線はターボ回転体の運動エネルギを、破線は当該回転体の角速度をそれぞれ示している。
図7に示すように、ターボ回転体の角速度は機関本体1のクランク角に合わせて変化する。図7に示した例ではまず1番気筒の排気弁が開いて燃焼室42から排気が流出すると、ターボチャージャ5のタービン8に流入する排気が増大する。このため、タービンホイール72の角速度が増大し、これに伴ってコンプレッサホイール62の角速度も増大する。また、これに伴ってターボ回転体の運動エネルギも増大する。
その後、1番気筒の排気行程の終盤では、燃焼室42から流出する排気の流量が減少する。この結果、タービンホイール72の角速度が減少し、これに伴ってコンプレッサホイール62の角速度も減少する。また、これに伴ってターボ回転体の運動エネルギが減少する。
したがって、図7からわかるように、1番気筒の排気行程の間、コンプレッサホイール62の角速度は上昇してから下降し、これに伴ってターボ回転体の運動エネルギも増大してから減少する。また、このような角速度や運動エネルギは、他の気筒10の排気行程においても同様に推移する。したがって、4気筒の内燃機関100では、ターボ回転体の角速度及び運動エネルギは、内燃機関100の1サイクルあたり、大きく4回上下に変動する。すなわち、ターボ回転体の角速度及び運動エネルギは、内燃機関100の1サイクルの間に、内燃機関100の気筒数に応じて複数回上下に変動する。
ここで、4番気筒を例にとって考えると、4番気筒の排気行程中におけるターボ回転体の運動エネルギの上昇量(図7中のΔKE)は、4番気筒の燃焼室42から排出される排気のもつ排気エネルギに比例する。同様に、1番気筒、3番気筒及び2番気筒の排気行程中におけるターボチャージャ5の運動エネルギの上昇量は、それぞれ1番気筒、3番気筒及び2番気筒の燃焼室42から排出される排気のもつ排気エネルギに比例する。ここで、各気筒10から排出される排気の排気エネルギは、基本的に各気筒10の燃焼室42で燃料を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギ、すなわち各気筒10の燃焼室42内における燃焼によって生じるトルク(燃焼トルク)に比例する。
したがって、各気筒10の排気行程中におけるターボ回転体の運動エネルギの上昇量を気筒間で比較することによって、気筒間における燃焼エネルギ(燃焼トルク)の差を検出することができる。具体的には、各気筒10の排気行程開始時における回転体の運動エネルギの最小値と、その気筒10の排気行程中における回転体の運動エネルギの最大値との間の差(ΔKE)に基づいて気筒間における燃焼エネルギ(燃焼トルク)の差を検出することができる。これら最小値と最大値との差が大きい気筒10は燃焼エネルギ(燃焼トルク)の大きい気筒10であると判定され、これら最小値と最大との差が小さい気筒10は燃焼エネルギ(燃焼トルク)の小さい気筒10であると判定される。
また、4番気筒を例にとって考えると、4番気筒の排気行程開始時から排気行程終了時までの時間間隔(図7中のΔtcom)、すなわちターボ回転体が4番気筒の燃焼室から排出された排気によって回転させられている期間は、2番気筒の燃焼行程開始時から燃焼行程終了時までの燃焼間隔に相当する。同様に、1番気筒、3番気筒及び2番気筒の排気行程開始時から排気行程終了時までの時間間隔は、それぞれ3番気筒、4番気筒及び1番気筒の燃焼行程開始時から燃焼行程終了時までの燃焼間隔に相当する。
したがって、各気筒10の排気行程開始時から排気行程終了時までの時間間隔を気筒間で比較することによって、気筒間における燃焼間隔の差を検出することができる。
このように、気筒間における燃焼エネルギ(燃焼トルク)の差や燃焼間隔の差を検出することができると、例えば燃料噴射量や吸入空気量、EGRガス量などの各気筒10の燃焼に関するパラメータを、電子制御ユニット200によってフィードバック制御やフィードフォワード制御することができる。これにより、気筒間における燃焼エネルギ(燃焼トルク)の差や燃焼間隔の差を最小限に抑制することができるようになる。
<ΔKE及びΔtcomの算出方法>
図8は、各気筒10の燃焼エネルギΔKE及び各気筒10の燃焼間隔Δtcomの算出方法について説明する図である。図中の横軸は機関本体1のクランク角を示している。図8中の実線はターボ回転体の運動エネルギを、破線は当該回転体の角速度をそれぞれ示している。
図8は、各気筒10の燃焼エネルギΔKE及び各気筒10の燃焼間隔Δtcomの算出方法について説明する図である。図中の横軸は機関本体1のクランク角を示している。図8中の実線はターボ回転体の運動エネルギを、破線は当該回転体の角速度をそれぞれ示している。
各気筒10の排気行程中におけるターボ回転体の運動エネルギの上昇量、すなわち各気筒10の燃焼室42で燃料を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギΔKEを算出するには、各気筒10の排気行程開始時におけるターボ回転体の運動エネルギの最小値と、その気筒10の排気行程中におけるターボ回転体の運動エネルギの最大値と、をそれぞれ算出する必要がある。
ここで4番気筒を例にして、ターボ回転体の角速度ωの微分値(以下「角加速度」という。)ω’(=dω/dt;図8の破線の傾き)を考えると、図8に示すように、ターボ回転体の運動エネルギが最小値(極小値)となる各気筒10の排気行程開始時において、角加速度ω’は0となる。また、ターボ回転体の運動エネルギが最大値(極大値)となる各気筒10の排気行程中のある時点においても、角加速度ω’は0となる。
そこで本実施形態によるアンプユニット300は、コンプレッサホイール62の角速度ωを算出するたびに、その角速度ωをターボ回転体の角速度今回値ωzとして設定し、角速度今回値ωzの微分値を角加速度今回値ωz’として算出する。そしてアンプユニット300は、角加速度今回値ωz’の絶対値が、予め設定された0近傍の値である極値判定閾値以下になったときの角速度今回値ωzを、各気筒10の排気行程開始時における角速度(以下「極小角速度」という。)ωL、又はターボ回転体の運動エネルギが最大値(極大値)となる各気筒10の排気行程中のある時点における角速度(以下「極大角速度」という。)ωHとして設定する。
なお、角加速度今回値ωz’の絶対値が極値判定閾値以下になったときの角速度今回値ωzに関して、その角速度今回値ωzが極小角速度ωLであるか、極大角速度ωHであるかの判定は、直前に算出された角加速度前回値ωz−1’が正の値か否かを判定することによって行うことができる。
具体的には、角加速度前回値ωz−1’が負の値の場合、すなわち図8の破線の傾きが負の場合は、角速度が下降から上昇に転じるときと判定できる。そこで本実施形態によるアンプユニット300は、この場合には、角加速度今回値ωz’の絶対値が極値判定閾値以下になったときの角速度今回値ωzを極小角速度ωLに設定する。一方、角加速度前回値ωz−1’が正の値の場合、すなわち図8の破線の傾きが正の場合は、角速度ωが上昇から下降に転じるときと判定できる。そこで本実施形態によるアンプユニット300は、この場合には、角加速度今回値ωz’の絶対値が極値判定閾値以下になったときの角速度今回値ωzを、極大角速度ωHに設定する。
このようにして設定された極小角速度ωL及び極大角速度ωHをそれぞれ式(3)に代入すれば、各気筒10の排気行程開始時における回転体の運動エネルギの最小値と、その気筒10の排気行程中における回転体の運動エネルギの最大値と、をそれぞれ算出することができる。そして、このようにして算出した運動エネルギの最大値から最小値を減算すれば、各気筒10の燃焼室42で燃料を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギΔKEを算出することができる。
また気筒間の燃焼間隔Δtcomは、前述したように各気筒10の排気行程開始時から排気行程終了時までの時間間隔に相当する。したがって、各気筒10の燃焼間隔Δtcomは、極小角速度ωLが設定されてから、次に極小角速度ωLが設定されるまでの時間と一致する。そこで本実施形態によるアンプユニット300は、極小角速度ωLが設定されてから、次に極小角速度ωLが設定されるまでの時間を計測することで気筒間の燃焼間隔を算出する。
なお、これ以外にも例えばターボ回転体の運動エネルギの最小値を算出してから、次に回転体の運動エネルギの最小値を算出するまでの時間を計測することで各気筒10の燃焼間隔Δtcomを算出することもできる。
<燃焼状態推定制御のフローチャート>
以下、この本実施形態による通過検出センサ301の出力値を利用した機関本体1の各気筒10の燃焼エネルギ及び各気筒10の燃焼間隔の推定制御について説明する。
以下、この本実施形態による通過検出センサ301の出力値を利用した機関本体1の各気筒10の燃焼エネルギ及び各気筒10の燃焼間隔の推定制御について説明する。
まず、図9を参照して、アンプユニット300が実施するコンプレッサホイール62の角速度算出制御について説明する。アンプユニット300は、このルーチンを所定の演算周期(=サンプリング周期tsmp)で繰り返し実行する。
ステップS1において、アンプユニット300は、通過検出センサ301の出力値を読み込む。
ステップS2において、アンプユニット300は、経過時間計測開始フラグF1が0に設定されているか否かを判定する。経過時間計測開始フラグF1は、初期値が0に設定されているフラグであり、経過時間計測開始フラグF1が0に設定されているときに、通過検出センサ301によってブレード622の通過が検出されると1に設定される。そして、コンプレッサホイール62の角速度及び回転数が推定されると再び0に戻される。アンプユニット300は、経過時間計測開始フラグF1が0に設定されていれば、ステップS2の処理に進む。一方でアンプユニット300は、経過時間計測開始フラグF1が1に設定されていれば、ステップS5の処理に進む。
ステップS3において、アンプユニット300は、ブレード622の通過が検出されたか否かを判定する。このステップS3において通過が検出されたブレード622が、複数のブレードのうちの任意の1つのブレード、すなわち基準ブレードとなる。アンプユニット300は、ブレード622の通過が検出されればステップS4の処理に進む。一方でアンプユニット300は、ブレード622の通過が検出されなければ今回の処理を終了する。
ステップS4において、アンプユニット300は、経過時間計測開始フラグF1を1に設定し、基準ブレードが通過検出センサ301の検知部の前を通過してからの経過時間te1の計測を開始する。
ステップS5において、アンプユニット300は、経過時間te1の前回値にサンプリング周期tsmpを積算したものを経過時間te1として算出する。なお、経過時間teの初期値は0である。
ステップS6において、アンプユニット300は、通過検出センサ301によってブレード622の通過が検出されたか否かを判定する。アンプユニット300は、通過検出センサ301によってブレード622の通過が検出されればステップS7の処理に進む。一方でアンプユニット300は、過検出センサ5によってブレード622の通過が検出されなければ今回の処理を終了する。
ステップS7において、アンプユニット300は、基準ブレードが通過検出センサ301の検知部の前を通過してからのブレード通過回数iを算出する。具体的には、アンプユニット300はブレード通過回数iの前回値に1を積算したものをブレード通過回数iとして算出する。なお、ブレード通過回数iの初期値は0である。
ステップS8において、アンプユニット300は、ステップS6で通過を検出したブレード622が基準ブレードであるか否かを判定する。具体的にはアンプユニット300は、ブレード通過回数iが、ブレードの総枚数(本実施形態では12枚)に正の整数nを乗じた値となっているか否かを判定する。
正の整数nを例えば1に設定すれば、ステップS8においてコンプレッサホイール62が1回転したか否かを判定することができ、例えば2に設定すれば、ステップS8においてコンプレッサホイール62が2回転したか否かを判定することができる。すなわち、正の整数nに応じて、コンプレッサホイール62の角速度及び回転数を推定するタイミングを調整することができ、単位時間当たりのコンプレッサホイール62の角速度及び回転数の推定データ数を調整することができる。本実施形態では、正の整数nを1に設定しているが、アンプユニット300のCPUの演算能力等に応じて正の整数nを1より大きい値に設定して良い。
アンプユニット300は、ステップS6で通過を検出したブレード622が基準ブレードであればステップS9の処理に進む。一方でアンプユニット300は、ステップS6で通過を検出したブレード622が基準ブレードでなければ今回の処理を終了する。
ステップS9において、アンプユニット300は、ステップS5で算出した経過時間te1を基準ブレード通過時間tmとして設定する。すなわちアンプユニット300は、本実施形態では正の整数nを1に設定しているので、基準ブレードが最初に通過検出センサ301の検知部の前を通過したことを検出してから、次に基準ブレードが通過検出センサ301の検知部の前を通過するまでの時間(コンプレッサホイール62が1回転するのに要した時間)を、基準ブレード通過時間tmとして設定する。
ステップS10において、アンプユニット300は、基準ブレード通過時間tmに基づいて、コンプレッサホイール62の角速度を算出する。具体的にはアンプユニット300は、下記式(4)に基準ブレード通過時間tmを代入して、コンプレッサホイール62の角速度ωを算出する。なおステップS10において、下記式(5)に基準ブレード通過時間tmを代入して、コンプレッサホイール62の回転数Nを併せて算出するようにしても良い。
ω=2π/tm …(4)
N=60/tm …(5)
N=60/tm …(5)
ステップS11において、アンプユニット300は、経過時間te1、ブレードの通過回数i及び経過時間計測開始フラグF1をそれぞれ初期値の0に戻す。
次に、図10を参照して、アンプユニット300が実施する機関本体1の各気筒10の燃焼エネルギの推定制御について説明する。アンプユニット300は、このルーチンを所定の演算周期(=サンプリング周期tsmp)で繰り返し実行する。
ステップS21において、アンプユニット300は、前述したコンプレッサホイール62の角速度算出制御によって、新たにコンプレッサホイール62の角速度ωが算出されたか否かを判定する。アンプユニット300は、コンプレッサホイール62の角速度ωが新たに算出されていればステップS22の処理に進む。一方でアンプユニット300は、コンプレッサホイール62の角速度ωが新たに算出されていなければ今回の処理を終了する。
ステップS22において、アンプユニット300は、新たに算出されたコンプレッサホイール62の角速度ωと、その算出に使用された基準ブレード通過時間tmと、を読み込む。
ステップS23において、アンプユニット300は、これまでに読み込んだコンプレッサホイール62の角速度ωのデータが2点以上あるか否かを判定する。アンプユニット300は、これまでに読み込んだコンプレッサホイール62の角速度ωのデータが2点以上あればステップS23の処理に進む。一方でアンプユニット300は、これまでに読み込んだコンプレッサホイール62の角速度ωのデータが2点以上なければ今回の処理を終了する。
ステップS24において、アンプユニット300は、ターボ回転体の角加速度今回値ωz’を算出する。具体的にはアンプユニット300は、今回新たに読み込んだコンプレッサホイール62の角速度ωを、ターボ回転体の角速度今回値ωzとし、今回の1つ前に読み込まれたコンプレッサホイール62の角速度ωを、ターボ回転体の角速度前回値ωz−1とする。そしてアンプユニット300は、下記式(6)に、角速度今回値ωz、角速度前回値ωz−1及びステップS22で読み込んだ基準ブレード通過時間tmを代入して、ターボ回転体の角加速度今回値ωz’を算出する。
ωz’=(ωz−ωz−1)/tm …(6)
ステップS25において、アンプユニット300は、ターボ回転体の角加速度今回値ωz’の絶対値が極値判定閾値以下であるか否かを判定する。アンプユニット300は、ターボ回転体の角加速度今回値ωz’が極値判定閾値以下であればステップS26の処理に進む。一方でアンプユニット300は、ターボ回転体の角加速度今回値ωz’が極値判定閾値よりも大きければ今回の処理を終了する。
ステップS26において、アンプユニット300は、ターボ回転体の角加速度前回値ωz−1’が負の値か否かを判定する。アンプユニット300は、ターボ回転体の角加速度前回値ωz−1’が負の値であれば、ステップS27の処理に進む。一方でアンプユニット300は、ターボ回転体の角加速度前回値ωz−1’が正の値であれば、ステップS29の処理に進む。
ステップS27において、アンプユニット300は、ステップS24で設定されたターボ回転体の角速度今回値ωzを極小角速度ωLとして設定する。
ステップS28において、アンプユニット300は、フラグF2を1に設定する。フラグF2は、初期値が0に設定されているフラグである。
ステップS29において、アンプユニット300は、フラグF2が1に設定されているか否かを判定する。アンプユニット300は、フラグF2が1に設定されていればステップS30の処理に進む。一方でフラグF2が0に設定されていれば今回の処理を終了する。
ステップS30において、アンプユニット300は、ステップS24で設定されたターボ回転体の角速度今回値ωzを極大角速度ωHとして設定する。
ステップS31において、アンプユニット300は、下記式(7)にステップS27及びステップS30で設定された極小角速度ωL及び極大角速度ωHを代入して、ターボ回転体の運動エネルギの上昇量ΔKE、すなわち現在排気行程中の気筒10の燃焼室42で燃料を燃焼させたときに生じる燃焼エネルギを算出する。
ΔKE=I×{(ωH2−ωL2)/2} …(7)
ステップS32において、アンプユニット300は、フラグF2を初期値の0に戻す。
次に、図11を参照して、内燃機関100の運転中にアンプユニット300が実施する機関本体1の各気筒10の燃焼間隔の推定制御について説明する。アンプユニット300は、このルーチンを所定の演算周期(=サンプリング周期tsmp)で繰り返し実行する。
ステップS41において、アンプユニット300は、フラグF3が0に設定されているか否かを判定する。フラグF3は、初期値(内燃機関100の運転開始時の値)が0に設定されているフラグであり、内燃機関100の運転を開始してから初めて極小角速度ωLが設定されたときに1に設定される。フラグF3は、内燃機関の運転停止時又は運転開始時に0に戻される。アンプユニット300は、フラグF3が0に設定されていればステップS42の処理に進む。一方でアンプユニット300は、フラグF3が1に設定されていればステップS44の処理に進む。
ステップS42において、アンプユニット300は、内燃機関100の運転を開始してから初めて極小角速度ωLが設定されたか否か判定する。具体的にはアンプユニット300は、内燃機関100の運転開始後、前述した燃焼エネルギの推定制御のステップS27に初めて進んで極小角速度ωLが設定されたか否かを判定する。アンプユニット300は、内燃機関100の運転開始後、前述した燃焼エネルギの推定制御のステップS27に初めて進んで極小角速度ωLが設定されていればステップS43の処理に進む。一方でアンプユニット300は、内燃機関100の運転開始後、前述した燃焼エネルギの推定制御のステップS27に進んでおらず、極小角速度ωLが未だに設定されていなければ今回の処理を終了する。
ステップS43において、アンプユニット300は、フラグF3を1に設定し、ターボ回転体の角速度が極小角速度になってからの経過時間te2の計測を開始する。
ステップS44において、アンプユニット300は、経過時間te2の前回値にサンプリング周期tsmpを積算したものを経過時間te2として算出する。なお、経過時間te2の初期値は0である。
ステップS45において、アンプユニット300は、極小角速度ωLが更新されたか否かを判定する。アンプユニット300は、極小角速度ωLが更新されていれば、ステップS46の処理に進む。一方でアンプユニット300は、極小角速度ωLが更新されていなければ、今回の処理を終了する。
ステップS46において、アンプユニット300は、ステップS44で算出した経過時間te2を燃焼間隔Δtcomとして算出する。
ステップ47において、アンプユニット300は、経過時間te2を初期値の0に戻し、再びターボ回転体の角速度が極小角速度になってからの経過時間te2の計測を開始する。
以上説明した本実施形態による内燃機関100は、複数の気筒10を有する機関本体1と、機関本体1の各気筒10から排出される排気のエネルギによって駆動されると共に少なくとも1つのブレード622を有して当該機関本体1の各気筒10に吸入される空気を圧縮するコンプレッサホイール62と、コンプレッサホイール62を収容するハウジング61内の所定位置を当該コンプレッサホイール62のブレード622が通過したことを検出する通過検出センサ301と、通過検出センサ301の検出結果に基づいてコンプレッサホイール62の角速度を算出すると共に、当該コンプレッサホイール62の角速度に基づいて機関本体1の各気筒10の燃焼エネルギ又は各気筒10の燃焼間隔の少なくとも一方を算出するように構成されたアンプユニット300(燃焼状態推定装置)と、アンプユニット300によって算出された各気筒10の燃焼エネルギ又は各気筒10の燃焼間隔の少なくとも一方に基づいて、機関本体1の各気筒10の燃焼に関するパラメータ(燃料量、空気量又はEGRガス量の少なくとも1つ)を制御するように構成された電子制御ユニット200(制御装置)と、を備える。
したがって本実施形態によれば、電子制御ユニット200によって各気筒10の燃焼エネルギ又は各気筒10の燃焼間隔を算出する必要がなく、電子制御ユニット200は、アンプユニット300によって算出された各気筒10の燃焼エネルギ又は各気筒10の燃焼間隔を利用して機関本体1の各気筒10の燃焼に関するパラメータを制御することができる。そのため、電子制御ユニット200によって各気筒10の燃焼エネルギ又は各気筒10の燃焼間隔の少なくとも一方を算出する場合と比較して、電子制御ユニット200の演算負荷を抑制しつつ、各気筒10の燃焼エネルギ又は各気筒10の燃焼間隔の少なくとも一方に基づいて機関本体1の各気筒10の燃焼に関するパラメータを制御することができる。
また本実施形態によるアンプユニット300は、ブレードのうちの任意の1つのブレードが所定位置を一度通過してからの経過時間を任意の1つのブレードが所定位置を所定回数通過するごとに基準ブレード通過時間として算出し、基準ブレード通過時間と基準ブレード通過時間の間に任意の1つのブレードが所定位置を通過した回数とに基づいて、コンプレッサホイール62の角速度を算出するように構成される。
そのため、ブレードの形状誤差の影響を受けることなくコンプレッサホイール62の角速度を精度良く算出することができる。したがって、コンプレッサホイール62の角速度に基づいて算出される機関本体1の各気筒10の燃焼エネルギ又は各気筒10の燃焼間隔も精度良く算出することができる。
また本実施形態によるアンプユニット300は、コンプレッサホイール62の角速度に基づいて、当該角速度の微分値である角加速度を算出し、角加速度の絶対値が所定の極値判定閾値以下になったときのコンプレッサホイール62の角速度に基づいて、排気行程中の気筒10の燃焼エネルギを算出するように構成される。より具体的には、本実施形態によるアンプユニット300は、角加速度の前回値が負の値であれば、角加速度の絶対値が所定の極値判定閾値以下になったときのコンプレッサホイール62の角速度を極小角速度として設定し、角加速度の前回値が正の値であれば、角加速度の絶対値が所定の極値判定閾値以下になったときのコンプレッサホイール62の角速度を極大角速度として設定し、極小角速度と極大角速度とに基づいて排気行程中の気筒10の燃焼エネルギを算出するように構成される。
これにより本実施形態によれば、アンプユニット300によって算出したコンプレッサホイール62の角速度から、各気筒10の燃焼エネルギを精度良く算出することができる。
また本実施形態によるアンプユニット300は、極小角速度が設定されてから当該極小角速度が更新されるまでの期間に基づいて、各気筒10の燃焼間隔を算出するように構成される。
これにより本実施形態によれば、アンプユニット300によって算出したコンプレッサホイール62の角速度から、各気筒10の燃焼間隔を精度良く算出することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
なお上記の実施形態では、回転体の一例としてターボチャージャ5のコンプレッサ6のコンプレッサホイール62を挙げたが、ブレード622を有する回転体であれば、如何なる回転体であっても角速度の算出は可能である。したがって、例えば、軸流式圧縮機等の角速度を算出することも可能である。
また上記の実施形態では、機関本体1において圧縮自己着火燃焼させるようにして、機関本体1の各気筒10の燃焼に関するパラメータとして燃料量、空気量又はEGRガス量の少なくとも1つを制御するようにしていたが、機関本体1において火花点火燃焼させる場合には、機関本体1の各気筒10の燃焼に関するパラメータとしてさらに点火時期を制御するようにしても良い。
100 内燃機関
1 機関本体
61 コンプレッサハウジング(ハウジング)
62 コンプレッサホイール
622 ブレード
200 電子制御ユニット(制御装置)
300 アンプユニット(燃焼状態推定装置)
301 通過検出センサ
1 機関本体
61 コンプレッサハウジング(ハウジング)
62 コンプレッサホイール
622 ブレード
200 電子制御ユニット(制御装置)
300 アンプユニット(燃焼状態推定装置)
301 通過検出センサ
Claims (7)
- 複数の気筒を有する機関本体と、
前記機関本体の各気筒から排出される排気のエネルギによって駆動されると共に、少なくとも1つのブレードを有して当該機関本体の各気筒に吸入される空気を圧縮するコンプレッサホイールと、
前記コンプレッサホイールを収容するハウジング内の所定位置を、当該コンプレッサホイールのブレードが通過したことを検出する通過検出センサと、
前記通過検出センサの検出結果に基づいて、前記コンプレッサホイールの角速度を算出すると共に、当該コンプレッサホイールの角速度に基づいて、前記機関本体の各気筒の燃焼行程開始時から燃焼行程終了時までの間隔である燃焼間隔を算出するように構成された燃焼状態推定装置と、
前記燃焼状態推定装置によって算出された各気筒の燃焼間隔に基づいて、前記機関本体の各気筒の燃焼に関するパラメータを制御するように構成された制御装置と、
を備える内燃機関。 - 前記燃焼状態推定装置は、
前記コンプレッサホイールの角速度に基づいて、当該角速度の微分値である角加速度を算出し、
前記角加速度の前回値が負の値であれば、前記角加速度の絶対値が所定の極値判定閾値以下になったときの前記コンプレッサホイールの角速度を極小角速度として設定し、
前記角加速度の前回値が正の値であれば、前記角加速度の絶対値が所定の極値判定閾値以下になったときの前記コンプレッサホイールの角速度を極大角速度として設定し、
前記極小角速度が設定されてから当該極小角速度が更新されるまでの期間に基づいて、各気筒の燃焼間隔を算出するように構成される、
請求項1に記載の内燃機関。 - 前記燃焼状態推定装置は更に、
前記極小角速度と前記極大角速度とに基づいて、排気行程中の気筒の燃焼エネルギを算出するように構成される、
請求項2に記載の内燃機関。 - 複数の気筒を有する機関本体と、
前記機関本体の各気筒から排出される排気のエネルギによって駆動されると共に、少なくとも1つのブレードを有して当該機関本体の各気筒に吸入される空気を圧縮するコンプレッサホイールと、
前記コンプレッサホイールを収容するハウジング内の所定位置を、当該コンプレッサホイールのブレードが通過したことを検出する通過検出センサと、
前記通過検出センサの検出結果に基づいて、前記コンプレッサホイールの角速度を算出すると共に、当該コンプレッサホイールの角速度に基づいて、前記機関本体の各気筒の燃焼エネルギを算出するように構成された燃焼状態推定装置と、
前記燃焼状態推定装置によって算出された各気筒の燃焼エネルギに基づいて、前記機関本体の各気筒の燃焼に関するパラメータを制御するように構成された制御装置と、
を備える内燃機関であって、
前記燃焼状態推定装置は、
前記コンプレッサホイールの角速度に基づいて、当該角速度の微分値である角加速度を算出し、
前記角加速度の前回値が負の値であれば、前記角加速度の絶対値が所定の極値判定閾値以下になったときの前記コンプレッサホイールの角速度を極小角速度として設定し、
前記角加速度の前回値が正の値であれば、前記角加速度の絶対値が所定の極値判定閾値以下になったときの前記コンプレッサホイールの角速度を極大角速度として設定し、
前記極小角速度と前記極大角速度とに基づいて、排気行程中の気筒の燃焼エネルギを算出するように構成される、
内燃機関。 - 前記燃焼状態推定装置は、
前記ブレードのうちの任意の1つのブレードが前記所定位置を一度通過してからの経過時間を、当該任意の1つのブレードが当該所定位置を所定回数通過するごとに基準ブレード通過時間として算出し、
当該基準ブレード通過時間と、当該基準ブレード通過時間の間に前記任意の1つのブレードが前記所定位置を通過した回数と、に基づいて、前記コンプレッサホイールの角速度を算出するように構成された、
請求項1から請求項4までのいずれか1つに記載の内燃機関。 - 前記機関本体は、各気筒で燃料を圧縮自己着火燃焼させるように構成されており、
前記制御装置は、前記機関本体の各気筒の燃焼に関するパラメータとして、各気筒に供給する燃料量、空気量又はEGRガス量の少なくとも1つを制御するように構成される、
請求項1から請求項5までのいずれか1つに記載の内燃機関。 - 前記機関本体は、各気筒で燃料を火花点火燃焼させるように構成されており、
前記制御装置は、前記機関本体の各気筒の燃焼に関するパラメータとして、各気筒に供給する燃料量、空気量、EGRガス量又は各気筒で燃料を点火させる点火時期の少なくとも1つを制御するように構成される、
請求項1から請求項5までのいずれか1つに記載の内燃機関。
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